EP1910499A2 - Mehtod and device for thermochemically converting organic substances into a high-quality organic product - Google Patents

Mehtod and device for thermochemically converting organic substances into a high-quality organic product

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EP1910499A2
EP1910499A2 EP06754555A EP06754555A EP1910499A2 EP 1910499 A2 EP1910499 A2 EP 1910499A2 EP 06754555 A EP06754555 A EP 06754555A EP 06754555 A EP06754555 A EP 06754555A EP 1910499 A2 EP1910499 A2 EP 1910499A2
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EP
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reaction
reactor
stage
rii
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Yaver Demir
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Demir Yaver
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for thermochemical conversion of educts which contain high molecular weight organic components into low molecular weight products which comprise organic, liquid at room temperature, flammable products.
  • Experiencing pyrolylyvs Pyrolysis processes are known which are used on an industrial scale for the conversion of oganic waste materials; the case NECESSARY temperatures are usually higher than 800 0 C.
  • the pyrolysis products are very small molecules, which are in gaseous form and are therefore reused directly, for example as synthesis gases. Disadvantages are the high temperatures on the one hand in terms of energy expenditure and on the other hand because of the risk of dioxin formation, if the waste reacted chlorine are.
  • the gases produced require extensive Gasremistsreac, and the gaseous Pyiolyseuzeuzeuze are not directly but only after additional and thus the Cost-increasing conversion processes can be used as petrochemical recyclables or as conventional engine fuel Under Development low temperature Flashpyrolyseclar in the temperature range between about 400 0 C and 500 0 C which are performed, for example for the direct liquefaction of wood in fluidized bed reactors, lead to inferior oil products which do not meet the quality expecta- conventional motor fuels. As a rule, these products have high oxygen and water contents and therefore low calorific values, are corrosive and as a rule thermodynamically unstable.
  • thermochemical processes for the liquefaction of woody biomass which work with water as the reaction medium under very high pressures up to over 200 bar and at temperatures up to about 400 ° C and require expensive equipment.
  • the products of these methods have also not met the quality requirements of conventional motor fuels to date, as it is more of a viscous tar than an oil with high oxygen contents and correspondingly low calorific value.
  • Hydrogenating pressure conversion Also known is the hydrogenation under pressure in stirred tanks or flow reactors to improve the product quality in the liquefaction of organic materials with hydrogen deficiency such. As coals, or of organic substances with increased oxygen content such. Wood. Disadvantageous prove in these methods, the high cost, which arise because of very high operating pressures of over 100 bar, high consumption of expensive hydrogen, high residence times of the substances to be reacted in the reactor, considerable catalyst use and unsatisfactory product yield.
  • Single-stage hydrostatic pressure conversion This process is used to produce liquid fuels and fuels from biomass. Also in the direct liquefaction of organic substances by single-stage hydrogenating Pressure conversion is pressures up to 100 bar or 20-80 bar hydrogen pressure and temperatures of 450 ° C necessary. It comes because of the high temperatures to strong coking because the Kokskristall Strukturstemperatur is 420 ° C. This process leads to increased deposits in the pipes, resulting in longer service lives and high maintenance costs. The process works after shock heating of the raw materials in combination with heavy oil circulation with an integrated bottom phase reactor, which makes difficult technical demands on the reactor: It has to fulfill both distillation functions and strip functions in order to selectively absorb gas streams. The mass and energy balance in this process is 100% wood as starting material with an oil yield of about 31% oil, but the energy yield is 73%. Both the high oxygen content and the high sulfur content in the product are unsatisfactory in these processes.
  • catalytic pressure-free oiling catalytic cracking
  • Catalytic liquefaction of biomass at 350 ° C to 400 0 C under atmospheric pressure is used for producing kohlenwasserstoffrei- chen liquid fuels and fuels.
  • This process was originally developed to extract fuels from waste oils and oil shale. The process always works with the addition of catalysts.
  • the temperatures can also be between 280 ° C to 350 ° C.
  • a disadvantage of this process is that a comparatively high proportion of catalyst of about 1% of the raw material quantity is required and that a high proportion of precipitation products is formed.
  • the residence time in the reactor is about 3 minutes, so that no very large throughputs are possible.
  • the yield of organic substances is unsatisfactory.
  • DE 103 16 969 A1 discloses a process for the catalytic treatment of residues in the tube bundle reactor for the conversion of hydrocarbon-containing residues, wherein an oil for use in diesel engines is produced using special ion-exchanging catalysts in the oil-catalyst suspension cycle.
  • DE 100 49 377 C2 sets out a process in which the residues are decomposed in a circulating in evaporator and reactor recycled carrier oil using sodium aluminum silicate as a catalyst inter alia in diesel oil.
  • DE 199 41 497 A1 also describes a process for the catalytic oiling of hydrocarbon-containing residues, which is characterized by the mixing of the residues with catalysts of aluminum silicate in a distillation vessel and by the use of a combustion vessel with honeycomb catalyst, wherein the polluted catalysts together after removal be placed in a Schwel authorer with residues.
  • EP 1 538 191 A1 describes the production of diesel oil from hydrocarbon-containing residues using doped aluminum silicates as catalysts, in which the energy input through pumps and counter-rotating agitators takes place in an oil circuit with solids separation and product distillation, and the surfaces are continuously fed by the agitators getting cleaned.
  • EP 1 101 812 B1 discloses a process for the conversion of chlorine-containing plastic waste into oil, which, however, is carried out using supercritical water.
  • the present invention has the object, a new method and a new device for direct thermochemical conversion (or: conversion) of higher molecular weight organic starting materials in low molecular weight organic liquid at room temperature, preferably free or poor in heteroatoms to achieve a good energy balance or high conversion efficiency and to minimize or eliminate waste.
  • thermochemical conversion of educts or: starting substances, raw materials
  • the second phase at least one contains low molecular weight organic and liquid at room temperature, flammable product
  • a second stage at least the following steps are carried out: heating at least a portion of the first phase of the reaction mixture from the first stage to perform a thermal
  • reaction mixture is formed with at least two phases and
  • phase Separating a phase from the reaction mixture formed in the second stage, which phase contains at least one low molecular weight organic combustible product.
  • the second stage likewise comprises a bottom reaction and, moreover, depending on the starting material, may comprise a reaction taking place thermodynamically under high pressure or a catalytic reaction taking place in particular at low pressures, for example about atmospheric pressure.
  • the first phase of the reaction mixture formed in the first stage and / or a second phase of the reaction mixture formed in the second stage is a substantially solid phase and is preferably fed to a pyrolysis reaction in the second stage.
  • phase (s) containing at least one low molecular weight organic, combustible product are preferably separated from the reaction mixture in the gas phase or vapor phase, and then a separation of substances, in particular by distillation, is preferably carried out.
  • the first phase is at least partially returned to the sump of the first stage and / or the first phase of the reaction mixture formed in the first stage and / or a second phase of a reaction mixture formed in the second stage, preferably in a sump, is a substantially liquid phase and is separated into a less viscous subphase and a more viscous subphase, and in which the thinner partial phase of the reaction of the respective stage is recycled.
  • the first stage and / or the second stage preferably comprises a hydrogenation reaction of the reaction mixture.
  • a process for (direct) thermochemical conversion of educts comprising higher molecular weight organic components in low molecular weight organic liquid at room temperature products in a first step, heating the reactants to reaction temperature for performing an at least partial cracking reaction in a bottom phase under hydrogenating Conditions.
  • a separation of the individual phases of the three-phase reaction mixture takes place, wherein this phase separation is designed such that the implementation of a first stage causes a product-oriented residence time control of the individual phases, respectively components.
  • Particularly advantageous is the at least partial recycling of the low-volatility product fraction into the bottom phase, since their catalytic properties substantially contribute to obtaining the desired product yield and purity.
  • Transfer of the volatile Product fractions after a first phase separation into a next reaction stage, which can be carried out in a second reactor, and repressurizing cracking and hydrolysis reactions in the presence of a catalyzing bottoms provides a further advantageous increase in the yield of the desired product and, moreover, improves its purity because its heteroatom content can be lowered.
  • the process can be adapted and optimized in the two step sequences, for example with regard to the pressurization of the reaction vessels.
  • the system allows the switching or flexible handling of the sequences of steps, which contributes to an economic reaction leadership; both in terms of the energy to be used and the reactants, as well as in terms of time.
  • a catalytic pressure-free cracking or cleaning can be performed, which can be followed by a hydrostatic pressure conversion, if the educts make sense.
  • it can be cracked under pressure and hydrogenated without pressure.
  • it is also possible to follow the cracking under pressure, possibly resulting Kokskomponenten a pyrolysis step: So these hard cokes are converted into product oil.
  • both cracking and hydrogenation are either carried out both under pressure or both under pressure.
  • the bottoms produced in the process which contain catalytic components, are always returned to the first catalyzed stage and thus support the process in an advantageous manner.
  • the person skilled in the art who knows the properties of the starting products, can thus by choosing the named alternatives, combined with the selective handling of the paste Pressure and temperature, favorably determine the quality of the product and improve the energy balance.
  • the educts under autocatalytic circulation of the heavy-volatile product fraction in the bottom phase reactor under pressure cracking with selective product-oriented residence time control is performed and in the second step sequence, the raw material is processed in a non-pressurized rotary reactor.
  • the reasons for choosing this procedure can be determined by the educt composition.
  • the inventive device according to claim 29 is suitable for carrying out the method according to the invention. It essentially comprises two heatable reactors with at least one inlet and one outlet device each for charging with educt and for removing product and intermediate product. It is advantageous if at least one of the reactors is a pressure reactor, so that, for example, the hydrogenation can be carried out under pressure.
  • a first phase separator is arranged on or in the first reactor, so that the reaction mixture can be separated into its volatile and nonvolatile constituents.
  • the volatile constituents, which ultimately contain the target product, namely low-viscosity, combustible oil, are transferred from the first reactor to the second reactor for further refining;
  • both reactors are in direct fluid communication with each other.
  • phase separators which are also connected to the first reactor.
  • Various embodiments of the device according to the invention are equipped with different phase separation, gas separation, condensation or distillation or heating devices which are known to the person skilled in the art and which are matched to the product-dependent requirements.
  • Raw materials or educts In principle, the process of the present invention for direct thermochemical conversion into low-viscosity and combustible at room temperature liquids, the following organic substances or organic substances containing mixtures or "starting materials" subjected: Carbonaceous substances or mixtures consisting of long-chain or crosslinked Molecules like Renewable resources, such as biomass, energy crops or vegetable oil and animal fat, or waste starting from hydrocarbons such as plastic waste, used and heavy oils, on celluloses of plant origin including their processing products such as contaminated wood waste and corresponding household waste fractions. Also suitable are organic protein-containing waste materials, which also include animal waste. Further suitable substances to be converted are sediments with increased organic content, such as fine-grained sieve fractions of dredged material from harbor waters and sewage sludge as starting materials.
  • Thermochemical transformation This essentially means two terms, namely classic cracking, ie the conversion of long-chain into shorter-chain molecules, and cleaning. Cleaning is particularly in question when dirty oil is to be converted into a higher quality product. The oil is then substantially distilled off and the residue or sump further worked up.
  • low-grade organic products are the following low-viscosity substances or liquids with a high proportion of hydrocarbons and high added value, such as petrochemical heteroatom-poor or -free recyclables and motor fuels, just to name a few examples ,
  • Target products are especially pure high-quality organic products, namely essentially pure hydrocarbons, which thus consist only of the elements carbon and hydrogen and contain no heteroatoms.
  • Heteroatoms Hydrocarbons that are not pure may contain heteroatoms. These include atoms in the hydrocarbon which are not carbon or hydrogen. At least one carbon or hydrogen is replaced in the hydrocarbon by a heteroatom such as nitrogen, oxygen, sulfur, phosphorus or metal.
  • Raw materials with a low content of heteroatoms are for example used and heavy oils but also polyethylene and similar plastics.
  • high heteroatom content ingredients include biological substances of plant and animal origin. Accordingly, raw materials can also be characterized by their heteroatom content.
  • Inorganic constituents of the educts In addition to the abovementioned organic substances, inorganic constituents are to be taken into consideration, which are among others. a. Minerals or ash but also pure metals include z. B. are included in electrical cable and car tire waste. The inorganic proportions of said wastes or starting materials vary in content and composition. Old and heavy oils and pure plastic fractions, but also pure biomass fractions usually contain very low levels of ash. By contrast, in the case of bone meal and port silt, the inorganic content may be more than 50% by weight.
  • Product oil The main reaction products produced by reacting the products according to the process of the invention are so-called product oils, which are the target fraction of low molecular weight liquid fuels.
  • Temperature conditions are no longer distinguishable, there is a supercritical fluid or a supercritical state, in the present process in the range of 20 to 80 bar.
  • a selective product-oriented residence time control means the use of an integrated phase separation in one of the reactors used, wherein the phase separation comprises a distillation or stripping function or a combination of both, so that the residence time of the heavy and the volatile components in the reactor can be specifically controlled.
  • the cracking products are immediately and selectively removed from the reaction zone when their molecules have just reached the desired chain length.
  • the non-volatile product stream circulated in the circuit has a different residence time in the reactor than the raw materials, because these raw materials usually already consist of various chemical components which require component-specific, different residence times in order to convert into product.
  • the method according to the invention can be carried out according to three alternatives:
  • Alternative 2 Procedure as in alternative 1, but with reverse handling of the pressures in the reactors. This advantageous alternative 2 can further reduce the oxygen content and the sulfur content in the product oil, whereby the oil yield and the energy yield are considerably increased.
  • Alternative 3 With regard to the first phase, it is advantageously carried out in the same way as the first alternative, that is to say that after severe heating of the raw materials in the autocatalytic cycle of the low-volatility product, cracking under pressure in a bottom-phase reactor; the residence time in the reactor is selective and product oriented. In the second phase, the resulting so-called "hard” cokes are now subjected to a pyrolytic step, so that takes place at temperatures of up to 1400 0 C, a transfer to the product oil.
  • the shock heating with subsequent pressureless oiling is achieved by heating the raw materials in a few seconds or fractions of seconds to reaction temperature.
  • This rapid heating according to the invention can be realized for example by directly introducing sufficiently comminuted raw material into the intensively mixed bottom phase of the reactor.
  • the raw materials are first preheated to a temperature just below the respective lowest cracking temperature of their components.
  • a shock-heating treatment with subsequent depressurisation results when used in combination with the recirculation of the low volatility product phase produced in the reactor.
  • shock heating with pressureless oiling and heavy oil circuit guidance in accordance with the invention combines with swamp phase reaction and selectively product-oriented residence time control. It was found that this can significantly increase the product yield, the oxygen and sulfur content drops significantly and the energy balance increases accordingly.
  • the aspect of the selective product-oriented residence time control is achieved by either at least the first or the second reactor being equipped with an integrated phase separation or phase separation device and having novel distillation or stripping properties or combinations thereof.
  • the phase separator When the phase separator is connected to the first reactor or drains through simple handling of the reactor, the second reactor operates after the first phase separation or phase separation stage followed by re-oiling.
  • the first reactor obtains the distillation function according to the invention when it is simultaneously operated as an evaporator at the boiling point of the reaction mixture. This volatile or vaporizable components are removed from the liquid reaction mixture by going into the vapor phase.
  • a stripping function according to the invention is achieved when a carrier gas stream is passed through the liquid reaction mixture which selectively absorbs volatile components from the reaction mixture. Both measures can be combined if the Reactor operates at boiling temperature, while a carrier gas stream is passed through the liquid reaction mixture.
  • distillation and stripping function can be used to improve the process in the process of the invention. They depend in particular on the sometimes unusual thermodynamic phase equilibrium behavior of the material systems at elevated pressures and temperatures.
  • the subject of claim 35 is a device (or: a reactor) for the thermochemical conversion of educts (or: raw materials, raw materials), the higher molecular weight organic components um- in low molecular weight products comprising organic liquid at room temperature flammable products, in particular organic fuels.
  • This device is particularly suitable as a reactor for the process according to the invention and in particular for the Verölung or liquefaction of biomass such as wood or for the production of biodiesel suitable and / or is preferably operated under pressure, but can also be operated without pressure.
  • This device comprises at least one reaction space (reaction chamber, reactor interior) for carrying out an at least partial decomposition or cracking reaction of at least one educt, at least one inlet for introducing or introducing the educt (s) into the reaction space and at least one outlet for discharging or discharging the low molecular weight products from the reaction space.
  • reaction space reaction chamber, reactor interior
  • inlet for introducing or introducing the educt (s) into the reaction space
  • outlet for discharging or discharging the low molecular weight products from the reaction space.
  • At least one arranged within the reaction chamber crushing device or: separation device, cutting or Zerspanvorraum
  • mechanically comminuting or: separating or cutting or machining
  • a raw material that has been compressed or caked together before entry into the reactor can also be processed efficiently for the reaction as a result of high delivery pressures, which are necessary for a correspondingly high process pressure in the reaction space.
  • At least one mixing and / or shearing device which preferably has one or more mixing and / or shear blades, for mixing and / or homogenizing the educts or (S) and / or a reaction and / or phase mixture provided in the reaction space.
  • at least one, preferably rotatable or rotating scraping elements having scraper for scrapping or cleaning surfaces of a wall of the reaction space is provided.
  • the comminuting device, mixing and / or shearing device and / or scraper device can be arranged as rotating elements on a common or also different, at least partially extending through the reaction space rotating shafts.
  • the mixing and / or shearing device can at least partially have common elements or be designed as a structural unit.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a horizontal reactor with illustrated mechanical conveying and comminution devices in the reactor chamber
  • FIG. 4 shows a partial section through the reactor according to FIG. 3 with more visible comminution device
  • FIG. 5 shows a partial section through the reactor according to FIG. 3 with more visible mixing device
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a vertical reactor
  • FIG. 7 shows a schematic circuit diagram of a device according to the invention. Corresponding parts and sizes are provided in the Figures 1 to 7 with the same reference numerals.
  • FIG. 1 shows the method sequence according to the invention for one exemplary embodiment, first of all shows that a step of comminution takes place for solid raw materials which contain organic fractions O, inorganic fractions A and metal fractions M.
  • Disturbing metals are separated in a next metal separation step; they are collected as metal shares of the raw material M.
  • the raw materials are moisture-containing, therefore, a step of pre-dewatering, wherein the discharged water W is also collected. Only with low energy expenditure mechanically removable water fractions and pure metal fractions, such as those incurred for example in electrical cable and car tire waste, must be separated beforehand.
  • any required solid catalysts and chemicals is not shown in the diagram of FIG 1, these are preferably added in powder form, for example via screw conveyors or lock systems directly into the first reactor RI.
  • cracking catalysts for example, zeolite-based solid catalysts are suitable, whereas, in contrast, in the hydrogenation step described below, e.g. B. in sulfur-free raw materials metallic catalysts such as nickel and platinum come as support in question.
  • metallic catalysts such as nickel and platinum come as support in question.
  • halogen-containing raw materials such.
  • alkaline solid chemicals such as calcium hydroxide can be added, which bind the chlorine before the onset of cracking reactions as a salt and thus remove from the reaction zone. This is an important advantage of the cracking process according to the invention in the sump phase over conventional cracking processes in the vapor phase, in which this possibility does not exist.
  • solids can be crushed and fed via dosing on a drying belt a drying tunnel and dried there by continuous supply of hot air. Moisture measurement is automatic and controls the drying process.
  • the pre-treated material is stored upstream in silos. From there, the pre-treated material can be transported via rotary valves to a twin extruder screw press to be finely ground and compacted. It creates pressure and heat, the material is mixed with catalyst material if necessary, and it can be introduced into the reactor RI.
  • the twin extruder screw press counteracts the reactor pressure and thus excludes a setback.
  • the loading of reactor RI with liquid raw materials such as heavy oils and their suspensions, when mineral catalysts are to be added, however, can be done, for example, via pump systems.
  • the preheating can serve to improve the energy balance through heat recovery from the process streams.
  • the heat energy supply can also be done by the exhaust gases of the gas burner.
  • the raw material stream and optionally supplied solid catalysts and chemicals are preheated.
  • the final temperature of the preheating should preferably be just below the temperature at which the cracking reactions begin. Depending on the raw material, this range may be on the order of 200 ° C to 330 ° C.
  • hemicelluloses found in wood for example, are very sensitive to temperature and are in the lower part of the required cracking temperature, cellulose and, to a greater extent, stable hydrocarbons are assigned to the upper area.
  • the heat required for the preheating and the heat energy requirement of subsequent process steps include, in particular, the heating of the reactor RI, the evaporator of the distillation column, the dryer for discharged mineral components and the water vapor gasification discharged organic residue can, for example on the Exhaust gases of a gas burner are covered.
  • the gas burner is preferably supplied with complete energy independence via the reaction gas G which is produced as a by-product in the process. As a result, foreign energy is needed only to start the system.
  • the preheated stream of heated sump phase in the cracking reactor RI is supplied. There intensive mixing takes place, and there also the shock heating can be carried out at cracking reaction temperature according to the invention. Rapid heating and reaction preferably take place in a reaction vessel or reactor RI, RII.
  • the abovementioned shock-heating is advantageous for carrying out the method compared to the use of conventional heating methods, as they are for.
  • a pre-circuit of separate heat exchanger sections o- represents the introduction of the reactants in a preheated to reaction temperature gas-vapor phase.
  • the cracking and hydrogenation steps take place after the required temperatures and pressures have been set.
  • the temperatures are preferably set between 290 0 C and 410 0 C, the pressures depend on the thermodynamic phase equilibrium behavior, which is known in the art, and also known possibly necessary partial pressures of reducing or hydrogenating gas components in the reaction mixture.
  • the reactor RI is followed by an expansion plant, with the one hand, the high pressure of the reactor RI degraded and on the other hand, the energy is converted via a turbine into electricity.
  • a first phase separation stage PI of the three-phase mixture present in the reactor RI is carried out.
  • the liquid phase is essentially formed by low volatility ⁇ lfraktio- SO.
  • the nonvolatile liquid product components are produced.
  • These are the so-called heavy oil fractions SO, which at this stage of the process are first recycled to the reactor RI, which are thus advantageously recycled, because they can thus be subjected to further cracking reactions in the reactor RI and thus the yield increased in product.
  • they advantageously develop a catalytic effect, which eliminates the need for additional catalysts.
  • the required reaction times for the cracking and / or hydrogenation reactions of the raw materials are shortened by the catalysis, favorable reaction paths are supported and the required temperatures and pressures for carrying out the reaction are thus reduced in the process according to the invention compared with the processes of the prior art.
  • phase separation stages PI, PII and Pill These heavy oil fractions SO occur in the multistage phase separation comprising the phase separation stages PI, PII and Pill.
  • a second phase separation stage PII and a phase separation stage Pill of the mixture of liquid heavy fraction SO, a solid and tarry reaction residue R, inorganic portion of the raw material A, respectively Educts, and solid catalysts K.
  • the phase separation stages PII and Pill falls the heavy oil fraction SO as a liquid phase.
  • the heavy oil fractions fall SO when drying as a vapor phase and finally in the distillation of the main organic product stream as bottom fraction. Since the heavy oil fractions are among the reaction products, the above catalytic benefit effect will be referred to herein as autocatalytic.
  • the solid phase of the three-phase mixture is composed of Aschecel. Minerals A shares of the raw material, optionally added solid catalysts K and chemicals and solid reaction residues R.
  • Such solid reaction residues R can, for. B. charring residues, which form in part as by-products.
  • phase separation stage PI following reactor RI, the liquid phase is separated from the gas-vapor phase together with the suspended solid phase. This can happen, for example, in centrifugal separators such as cyclones.
  • This phase separation stage PI is preferably carried out under the same pressure as prevails in the first reactor RI.
  • the separated in phase separation stage PI suspension is expanded by a gas expansion plant when the reactor RI, as shown in FIG 1, operated under pressure and undergoes a three-stage separation process on the phase separation stage PII, phase separation stage Pill and drying to separate and recover the low volatile oil phase, which, as described, is recycled to the reactors RI and RII.
  • the phase separation stage PII separates the coarse-grained solids content together with fine-grained particles adhering thereto, for example, according to the sedimentation principle or also according to the centrifugal force principle.
  • the remaining low-volatile oil phase SO is led together with the remaining fine fraction back to the reactor RI.
  • the coarse enriched suspension is mechanically, z. B. via screw presses, from further low-volatile oil phase SO, which is returned to the reactors RI and RII, freed.
  • drying step frees the solids-containing stream of vaporizable oil fractions. These can also be recycled to the internal reflux into the reactors RI, RII after a renewed condensation KII.
  • the organic substance still remaining in the solids stream consists essentially of solid char residue and tarry residues R, optionally of inorganic raw material fractions A or solid catalyst K and chemicals.
  • the organic components R can be converted in the subsequent steam gasification WDV in synthesis gas, consisting of carbon monoxide CO and hydrogen H 2 .
  • synthesis gas consisting of carbon monoxide CO and hydrogen H 2 .
  • the synthesis gas CO + H 2 can either be fed directly to the reactors RI, RII as reducing gas or converted completely into hydrogen H 2 and carbon dioxide CO 2 in a downstream carbon monoxide conversion CO conversion.
  • the hydrogen H 2 in the gas separation GII is freed from carbon dioxide CO 2 using, for example, a membrane separation process and optionally fed to the reactors RI, RII as the hydrogenating gas component. If more hydrogen produces H 2 than needed by the process, the excess can be profitably marketed or converted, for example via a fuel cell process, into electrical power for plant operation.
  • the raw materials used in the cracking reactions of oxygen-containing raw materials are used as secondary product reaction water used, so that essentially a wastewater-free process is realized. Any resulting excess water is purified by the steam gasification WDV simultaneously, so that any resulting excess small wastewater quantity W is equal to pure, that is, free of organic components, is obtained. If not enough water of reaction is available, add some fresh water. The respective proportions are different due to the raw material and depend on the ratio of the reaction water formed to the solid or low-volatility reaction residue.
  • the target fraction containing the product of the process an oil as oil vapor ⁇ 1D, which is a low molecular weight liquid fuel.
  • water of reaction is formed as water vapor WD and reaction gas G and hydrogen H 2 .
  • the gas-vapor phase of the three-phase mixture is supplied in the case of elevated gas fractions after the reactor RII the condensation in the first condensation KI.
  • This condensation step KI realized by cooling is used to separate the gas fractions reaction gas G and hydrogen H 2 from the condensable oil and water fractions ⁇ 1D + W, before the latter are fed to the distillative separation.
  • the condensation step KI is preferably operated at the same pressure as the reactor RII. In the case of overpressure operation, this has the advantages that the required admission pressure is available for the optionally subsequent gas separation GI, that for the optionally following hydrogen recycled in the reactor RII less compression energy is used and that in subsequent expansion valves, the undesirable occurrence of multiphase flows, which could lead there to significant malfunction, is avoided.
  • the gas separation GI can be realized as the gas separation GII, for example as a membrane separation process.
  • the optionally separated from the reaction gas G hydrogen content H 2 is fed back to the reactor RI, RII.
  • the separated reaction gas G is expanded by a second gas expansion plant, which is not illustrated in FIG. 1, and subsequently supplied to the burner for the above-described thermal energy supply of the entire process.
  • phase separations or phase separators described above may comprise the step of stripping with gas. Therefore, prior to expansion in said expansion device, part of the reaction gas G, if required by the above-described stripping function of the reactor RI, RII, can be recycled to the reactor RI, RII.
  • the expansion plant could also be connected in other embodiments with a turbine for generating electrical energy
  • a gas stream G + H 2 needed for stripping this is first in reactor RI, then in reactor RII, when both reactors are operated simultaneously, passed finely divided through the liquid reaction mixture.
  • the gas stream G + H 2 can generally assume the said phase separation phase separation function as set forth above and / or the hydrogenation function.
  • a proportion of the reaction gas in the recirculation is preferably used, while the hydrogenation is preferred. example, by hydrogen H 2 occurs.
  • the production of hydrogen H 2 can take place in two stages via a water vapor gasification WDV of the solid coke-like and low-volatility tar-like reaction residues R in the first stage and a downstream carbon monoxide conversion in the second stage.
  • the hydrogen H 2 serves on the one hand to stabilize the cracking products by radical saturation and on the other hand to increase the hydrogen content in the product oil. This improves the calorific value, burning properties and storage stability of the product oil.
  • the necessary overpressure is, among other things, a function of the elemental composition of the raw material.
  • the target chemical already very similar, ie low in heteroatoms, as z. B. in used and heavy oils and hydrocarbon-based plastic waste is the case, it can be completely dispensed with inventive process control overpressure and hydrogen atmosphere.
  • inventive process control overpressure and hydrogen atmosphere In part, even negative pressure operation is advantageous here.
  • oxygen levels such as. B. in wood with about 43 wt.% Oxygen in the dry matter, was surprisingly found in inventive process control that even without additional hydrogenation hydrogen partial pressures of less than 80 bar are usually sufficient.
  • the reaction mixture usually consists of the three phases gas-vapor phase, liquid phase and solid phase.
  • the gas-vapor phase contains on the one hand the reaction gas G, which is formed as a by-product of the cracking reactions in the reactors I and II, and on the other hand the received vapors, which are inventively substantially vaporized product oil hydrocarbons. Due to the raw material, water vapor components WD can also be present. For this purpose, if necessary, further gas components such. B. hydrogen H 2 come as a hydrogenation gas.
  • the oil and water phase oil + W + G condensed in the condensation step KI can also be expanded via an expansion turbine or an engine if the reaction in reactor RII is under overpressure, followed by subsequent distillation. During this relaxation, if necessary, certain gas components dissolved in the oil under excess pressure are released which, after distillation, can be separated off in a second condensation step KII and likewise fed to the burner.
  • the distillation is preferably carried out as a Mehrgenrekt Scheme in which the oil fractions are decomposed into boiling fractions. According to the invention, the high-boiling bottoms fraction of the distillation is passed back into reactor RI, RII as low-volatile oil fraction SO, as described above.
  • the liquid phase in phase separation stage PIV is mechanically separated by settling in an oil phase, the desired product oil, and a water phase so that the heavier water phase can be drained first before the product oil is collected in the product tank.
  • the water phase W can be supplied to the above-described water vapor gasification WDV and / or carbon monoxide conversion.
  • phase separation stage PIV is eliminated. This applies above all to raw materials without oxygen Part, which usually also no hydrogenating gas is needed, so that then usually no water requirement by steam gasification and / or carbon monoxide conversion is formed.
  • the process according to the invention can generally also be carried out in more than two reactors, the material streams exemplified in FIG. 1, in particular the recycling of the heavy oil fraction, then have to be fed by the person skilled in the art according to the indicated process steps.
  • any possible toxins such as prions are completely destroyed by the described conversion process. This should be ensured by the reaction temperatures of 350 0 C.
  • An electrolytic decomposition as a pretreatment of the bone meal may prove to be advantageous to release mineral components as a catalyst material.
  • a likelihood of contamination of the environment with released prions, which can occur, for example, in combustion processes, is significantly reduced here because of the air-free encapsulation of the process.
  • the nitrogen content of Protein molecules are essentially converted into ammonia in the reducing atmosphere of the process according to the invention and eliminated via the aqueous phase. From the water phase, the ammonia fraction can be isolated and marketed by simple additional rectification.
  • Examples of heavy metal-contaminated sediments with an increased organic content are sewage sludge and fine-grained fractions of dredger sludges from river courses freed from the unloaded sand.
  • the conversion process in the reactor should ensure that the heavy metals are removed from the organic product and firmly bound in the inorganic matrix in such a way that the eluates are virtually free of heavy metals.
  • the bonding forms of the heavy metals in the inorganic matrix under the reaction conditions used according to the invention completely changed without the known glazing, which requires much higher temperatures, such that all of the above heavy metals changed in tighter bonding forms, so that on the one hand practically no Pb and Cu and
  • less than 1% of the Cd and less than 5% of the Zn were still in a replaceable, ie elutable, cation form.
  • about 1% of the Pb and Cu, about 14% of the Cd and almost 30% of the Zn were present in the elutable form in the raw material used before the conversion process according to the invention.
  • thermodynamically and chemically very demanding task of thermochemical conversion of high molecular weight organic E- products with optimization of the energy balance in low molecular weight organic, liquid at room temperature products free of or poor At heteroatoms are handled taking into account the inorganic as well as the organic requirements.
  • inorganic chemistry As requirements for inorganic chemistry, reference is made, for example, to the implementation of harbor sludge, an organic substance as defined above, but containing inorganic components. These inorganic components are substantially in an improved and freed from organic components form after they have been subjected to the inventive method. In harbor silt, which is loaded with heavy metals, the heavy metals can be bound quantitatively in the inorganic fraction, so that the organic products are free of heavy metals.
  • the heavy metals are incorporated into the inorganic matrix in such a way that they can no longer be eluted, so that the mineral product fraction can advantageously either be landfilled or used, for example, in the construction industry, thus resulting in an ecological relief of the environment after the highly toxic one Hazardous potential port silt material was subjected to the method according to the invention.
  • the present method it is also possible in the conversion of the organic starting materials such.
  • B. animal and bone meal on the one hand high-molecular, ie long-chain organic compounds selectively to crack, so shorten so that exactly the desired molecular chain length range comes out, for example, in diesel oil with a boiling range preferably from 200 0 C to 380 0 C.
  • the heteroatoms can be selectively removed with as little loss of carbon and hydrogen as possible.
  • mineral components can develop the desired catalytic effect.
  • B. prions from animal and bone meal to eliminate partially or completely from the organic starting materials or render harmless and at the same time prudent reaction, the emergence of new toxins such. As to prevent dioxins.
  • FIGS. 2 to 5 show exemplary embodiments of a horizontal reactor 2
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a vertical reactor 2 which comprises a reaction chamber 3 surrounded pressure-tight by a wall 32, which in turn is subdivided into a phase separation zone 31 and a conveying zone 30.
  • the reactor 2 is usually designed for pressures of-1 bar to + 80 bar, each based on atmospheric pressure.
  • the wall 32 of the reaction space 3 is predominantly spherical in the phase separation zone 31 according to FIGS. 2 to 5 and approximately cylindrical in accordance with FIG. 6 and substantially cylindrical or tubular in the region of the conveying zone 30.
  • the design of the reaction space 3 and its wall 32 is not limited to these special forms.
  • the conveying zone 30 opens into the phase separation zone 31.
  • two inlets 4 and 5 for introducing raw material (or educt (s)) RS into the conveying zone 30 open into the conveying zone 30.
  • the two inlets 4 and 5 face each other slightly off-center to a central axis A of the conveying zone 30.
  • the raw material RS is conveyed through a feed pressure, which is greater than the process pressure prevailing in the reactor chamber 3, from a conveying device (not shown), in particular an extruder screw press, through the inlets 4 and 5 into the conveying zone 30.
  • a conveying device not shown
  • the entire delivery zone 30 and a part of the phase separation zone 31 is filled with a sump (or a sump phase mixture) S, which consists of various phases and substances and in particular the raw material RS and the resulting thermal and / or catalytic decomposition or Cracking formed reaction products in solid, liquid and gaseous phase as phase mixture comprises.
  • a conveying device 12 arranged in the conveying zone 30 and also extending into the phase separation zone 31 in FIG. 3 comprises a screw conveyor which is fastened to a rotary shaft 21 driven by a rotary drive 41 and the sump S or the phase mixture with the raw material RS in the conveying direction FR transported to the phase separation zone 31.
  • an overpressure protection device 1 1 is additionally provided, which usually comprises a pressure relief valve.
  • At least one and preferably several outlets 7 are provided in the wall 32 in the lower region of the separation zone 11, through which a part S 'of the sump phase S is returned to the conveying zone 30 via a return line 9, preferably assisted by a conveyor 8, preferably in FIG
  • the feed means 8 in the return lines 9 are preferably oil or gas operated pumps, such as screw pumps, for example, with a discharge pressure of 1 bar (differential pressure) can work.
  • return lines 9 and heaters 18 are also arranged, which can be operated in particular heat recovery from process heat or gas-fired by the resulting during the process fuel gas or oil-fired from emerging during the process oil or with heat from other processes, such as a combined heat and power plant etc.
  • the direction of gravity (gravitational force, gravitational force) G is indicated by an arrow and points in FIGS 2 to 6 down.
  • the delivery zone 30 and the phase separation zone 31 are horizontal or perpendicular to
  • Gravity G arranged side by side and in the vertical reactor 2 according to FIG 6 vertically or in parallel to the gravitational force G over each other, wherein the phase separation zone 31 is above the conveying zone 30.
  • the conveying direction FR extends horizontally or orthogonally to the gravitational force G in the case of the horizontal reactor 2 according to FIGS. 2 to 5 and vertically in the vertical reactor 2 according to FIGS. 2 to 5 and opposite to the direction of the gravitational force G. Otherwise, the two reactor types horizontal reactor and vertical reactor have a similar structure.
  • a raw material is at least predominantly in solid form, it is advantageous, the raw material prior to introduction into the reactor as possible in comminuted form in the form of particles such as powder or granules to obtain the largest possible surface area for the decomposition reaction or cracking.
  • a wood flour or wood powder having particle sizes of typically 0.5 mm is provided, as known, for example, from wood pellet production.
  • the pressures may be up to 80 bar.
  • the wood particles are compressed and caked together even before they enter the conveying zone, so that the wood raw material RS is not in the desired shape of individual particles but as a caked mass with an undesirably high density and compactness from the inlets 4 and 5 enters the conveying zone 30.
  • a shredding device 20 is now arranged in the region of the inlets 4 and 5 which, in the illustrated embodiment (FIGS. 3 and 4 and 5), consists of a plurality of saw blades or saw elements 40 which are arranged parallel to each other and rotatable about the axis A, respectively are facing with the turning portions of their outer periphery the inlets 4 and 5.
  • the compressed mass of the raw material RS is now crushed back into small particles as soon as it enters the conveying zone 30 due to the large number of small saw teeth of the sawing elements 40 (see FIG. 4), preferably again a particle size in the order of magnitude of 0.5 mm is sought.
  • the sawing elements 40 of the comminution device 20 are preferably provided axially in the direction of the axis of rotation A with openings or in the form of open support structures, for example as in the case of a wheel with hub and spokes, in order to minimize the amount To provide flow resistance against the flowing in the conveying direction FR medium of the sump S.
  • a plurality of cutting teeth are distributed, preferably evenly distributed, arranged to each other.
  • a milling device with milling teeth or another cutting device for mechanical comminution of the incoming raw material RS can also be provided.
  • the sawing elements 40 of the comminuting device 20 are preferably fastened to the rotary shaft 21, which also rotates the conveying screw of the conveying device 12 about the axis of rotation A, and thus also rotate at the same rotational speed as the conveying screw. However, it may also be provided a separate drive for the shredding device 20.
  • a further outlet 17 which is designed in particular as a pipe socket, for discharging there due to gravity G settling heavy components of the reaction mixture or sump S.
  • the accumulating on the outlet 17 heavy Components or outlet products are subjected to a further treatment not shown in FIG.
  • these heavier components of the sump S can be fed via the outlet 17 to a phase separation, wherein the outlet products at the outlet 17, for example, from a separator, are separated into solid and liquid components and then preferably the liquid components again in lower viscosity components on the one hand and thicker or higher-viscosity components, on the other hand.
  • the solid constituents can then be further decomposed in a pyrolysis plant, not shown in FIGS.
  • Such an outlet 17 is usually also provided in the other embodiments according to FIG 2 and 4 to 5, but not shown there.
  • a mixing and / or shearing device 23 is rotatably arranged on a rotary shaft 22 and arranged according to FIG 3 at the transition region to the conveying zone 30 in the phase separation zone 31 and comprises in the illustrated embodiment shown in FIG 5 four offset by 90 ° to each other arranged mixing and / or Shearing blades 29, which are designed in the manner of rotor blades and have relatively sharp shearing edges in order to achieve a shearing or possibly even cutting action for the passing medium with the raw material RS and the reaction products and other components of the sump S.
  • FIG. 3 the mixing and / or shear blades 29 are curved and follow the course of the wall 32 of the reactor 2, and are arranged relatively close to the wall 32 in order to additionally achieve a cleaning action for the wall 32.
  • FIG. 6 also shows the parts of the mixing and / or shear blades 29 of the wall 32 of the reactor 2 pointing radially to the axis A and further parts of the mixing and / or shear blades 29 running axially to the axis A extending to the shaft bearing 24. where they are attached.
  • the mixing and / or shear blades in FIG. 6 thus have a Z-shaped basic shape in an axial section.
  • the wings 29 in FIG. 3 may be configured as in FIG. 6.
  • At least one scraper device with three scraper elements 25, 26 and 27 rotatably mounted on the shaft 22 is provided for scrapping Residues on the inner surface of the wall 32 in the phase separation zone 31, in particular at and around the outlets 6, 7 and 17.
  • This scraping or cleaning action can also be achieved by combination or structural integration with the mixing and / or shearing means 23, for example by further drawing the wings 29 around the wall 32, e.g. 6 also run along the lateral and vertical wall regions of the wall 32 in the Phasentrennzo- ne 31, and then preferably at a second end also inside again connected to the shaft 22 and thus have a bow shape.
  • a scraping device for the wall can also be provided in the conveying zone 30.
  • the mixing and / or shearing device 23 and its mixing vanes 29 (and the scraping elements 25, 26 and 27) rotate in the opposite direction of rotation to the conveying screw of the conveying device 12.
  • the two rotary shafts 21 and 22 are connected to one another in a shaft bearing 24 so as to be freely rotatable about the same axis of rotation A and are driven apart from one another by the associated drives 41 and 42.
  • a single continuous rotary shaft can also be provided, so that all rotating components in the reactor 2 are driven by the same drive and at the same rotational speed.
  • mixing device 23 and conveying device 12 rotate in the same direction of rotation and generally at the same rotational speed.
  • the training with two separate shafts 21 and 22 also has the advantage that not only different directions of rotation, but also different rotational speeds for the mechanical components 23, 25, 26 and 27 in the phase separation zone 31 on the one hand and the conveyor 12 and the comminuting device 20 in the On the other hand, conveying zone 30 can be adjusted. Especially if a part of the conveyor is also arranged in the phase separation zone 31, the same direction of rotation is preferred.
  • the drives 41 and 42 may be provided as direct drives for the associated shafts 21 to 22 or may also include gears or other translation means between motors and shafts. As motors electric motors or hydraulic motors or oil or gas-powered internal combustion engines can be provided.
  • the entire reactor 2 is preferably designed explosion-proof.
  • FIG. 7 shows a circuit diagram of a device according to the invention with a first reactor 50, a second reactor 60 and a pyrolysis reactor 70.
  • the raw material RS is fed to the first reactor 50 at an inlet 51 and thermally decomposed there.
  • the usable decomposition product exits as a vapor phase Dl at an upstream outlet 52 of the first reactor 50 and may be further separated, for example by distillation, to remove the fuel, e.g. Diesel or kerosene, and possibly other useful products.
  • an outlet product Al exits and is withdrawn continuously or in individual batches and fed to a separator 80 which separates the outlet product Al into a substantially solid outlet product portion Al S and a substantially liquid outlet product portion AlL.
  • the liquid outlet product fraction AlL is separated in a subsequent phase separator 81 into a low-viscosity or low-viscosity outlet product fraction AlLI and a more viscous or high-viscosity outlet product fraction A1L2.
  • the less viscous Auslass whyanteil AlLl contains low molecular weight reaction products and is therefore returned directly to an input 54 of the first reactor 50.
  • the higher viscous, more viscous outlet product A1L2 contains higher molecular components and is therefore supplied to an input 61 of the second reactor for further and more efficient decomposition in the second reactor 60.
  • the decomposition reaction in the second reactor 60 can be adapted specifically to the viscous outlet product portions A1L2 which are formed during the decomposition process in the first reactor 50.
  • thermochemical decomposition under high pressure can take place in the first reactor 50, while in the second reactor 60 a catalytic decomposition or cracking reaction takes place in the second reactor 60 to crack the relatively high molecular weight fractions in the Auslass etcanteil A1L2 can be performed.
  • the useful products are discharged at an outlet 62 arranged at the top as the vapor phase D2 and, as a rule, further separated from one another by distillation.
  • the second reactor 60 also has, preferably at the bottom, an outlet 63 at which outlet products A2 are withdrawn continuously or at regular intervals and fed to a separator 82 which separates the outlet products A2 into solid outlet product portions A2S and liquid outlet product portions A2L.
  • the liquid outlet product portions A2L are again separated from a phase separator 83 into low-viscosity outlet product portions A2L1 and thick-liquid outlet product portions A2L2.
  • the low-viscosity outlet product portions A2L1 are returned directly to the inlet 61 of the second reactor 60 again.
  • the viscous Auslass etcanteile A2L2 containing higher molecular weight, not uncracked shares are fed to increase the efficiency of the process of a seed 84, in which at least one catalyst K is added in particular in a mixing and / or stirring or spinning process.
  • the seeded viscous outlet product portion A2L2 + K is now returned to the inlet 61 of the second reactor 60.
  • the solids fractions Al S and A2S of the outlet products A1 and A2 are in each case directly supplied by the separators 80 and 82 to an inlet 71 of the pyrolysis reactor 70 and are pyrolytically decomposed there.
  • outlet 72 of the pyrolysis reactor 70 As vapor phase D3 and further separated or recycled.
  • W water content of the raw material, water of reaction and fresh water
  • PII phase separation stage II of coarse-grained solid with liquid phase fractions and liquid phase with fine-grained solid fraction
  • Pill phase separation stage III of liquid phase and solid phase with residual liquid phase adhering
  • PIV phase separation stage IV of water phase and oil phase
  • KI, KII condensation steps I, II: separation of gas phase and condensable liquid phase

Abstract

The invention relates to a method for thermochemically directly converting educts containing high-molecular weight organic components into low-molecular weight products containing flammable liquid at room temperature organic products. The inventive method consists in heating and hydrogenating the educts for carrying out a liquid phase thermal conversion reaction in such a way that a reaction three-phase mixture is obtained. The first phase, separated from the liquid phase, comprises a component catalysing the conversion reaction and is returned at least partially to the liquid phase and the second phase comprises a certain proportion of low-molecular weight and liquid at room temperature organic products which are devoid of or poor in heteroatoms. Said invention also relates to carrying out the inventive method in a device, which is provided with two heated and pressurised reactors (RI, RII) and comprises a phase-separation unit for separating reaction phases. Said reactors (RI, RII) are fluidly connected in such a way that the separated phase containing catalysing components is returned to the reactor (RI) by means of a recycling device. The highly-volatile component-containing phase is transferable from the first (RI) to second (RII) reactor.

Description

VERFAHREN L ND VORRICHTUNG ZUR THERMOCHEMISCHEN UMWANDLUN G VON ORGANISCH EN SUBSTANZEN IN HOCHWERTIGE ORGAN ISCHE PRODUKTEMETHOD FOR THE THERMOCHEMICAL CONVERSION OF ORGANIC SUBSTANCES IN HIGH-QUALITY ORGANIC ISCHE PRODUCTS
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermo- chcmischen Umsetzung von Edukten, die hohermolekulare organischen Komponenten enthalten, in niedermolekulare Produkte, die organische, bei Raumtemperatur flussige, brennbare Produkte umfassen.The invention relates to a method and a device for thermochemical conversion of educts which contain high molecular weight organic components into low molecular weight products which comprise organic, liquid at room temperature, flammable products.
In Zeiten hohen Energieverbrauchs bei gleichzeitig stetig wachsenden Energiekosten steigt das Erfordernis, Abfallstoffe, besonders so genannte werthaltige Abfallstoffe oder „Wertstoffe" wieder in den Encrgickrcislauf ruckzufuhren, indem sie in einen leicht einsetzbaren Energieträger umgewandelt werden.In times of high energy consumption and at the same time constantly increasing energy costs, the requirement to reintroduce waste materials, especially so-called high-value waste or recyclable materials, into the energy chain by converting them into an easily usable energy source increases.
Es sind bereits folgende Verfahren bekannt, die inzwischen Eingang in die gangige Lehrliteratur gefunden haben:The following methods are already known, which have meanwhile found their way into the common teaching literature:
Pyrυlysev erfahren Bekannt sind Pyrolyseverfahren, die im großtechnischen Maßstab zur Umwandlung von oiganischen Abfallstoffen eingesetzt werden; die hierbei notigen Temperaturen liegen üblicherweise hoher als 800 0C Die Pyrolyseprodukte sind sehr kleine Moleküle, die gasformig sind und daher direkt weiterverwertet werden, beispielsweise als Synthesegase. Nachteilig sind die hohen Temperaturen zum einen im Hinblick auf den energetischen Aufwand und zum anderen wegen der Gefahr der Dioxinbildung, falls die umgesetzten Abfallstoffe chlorhaltig sind Überdies erfordern die erzeugten Gase aufwandige Gasremigungsprozessc, und die gasfoimigen Pyiolyseproduktc sind nicht direkt sondern nur nach zusätzlichen und damit die Kosten steigernden Umwandlungsprozessen als petrochemische Wertstoffe oder als konventionelle Motorenktaftstoffc einsetzbar In der Entwicklung befindliche Niedertemperatur-Flashpyrolyseverfahren im Temperaturbereich etwa zwischen 400 0C und 500 0C, die beispielsweise zur direkten Verflüssigung von Holz in Wirbelschichtreaktoren durchgeführt werden, führen zu minderwertigen Ölprodukten, die den Quali- tätsansprüchen konventioneller Motorenkraftstoffen nicht genügen. Diese Produkte haben in der Regel hohe Sauerstoff- und Wasseranteile und dadurch geringe Heizwerte, sind korrosiv und in der Regel thermodynamisch instabil.Experiencing pyrolylyvs Pyrolysis processes are known which are used on an industrial scale for the conversion of oganic waste materials; the case NECESSARY temperatures are usually higher than 800 0 C. The pyrolysis products are very small molecules, which are in gaseous form and are therefore reused directly, for example as synthesis gases. Disadvantages are the high temperatures on the one hand in terms of energy expenditure and on the other hand because of the risk of dioxin formation, if the waste reacted chlorine are. Moreover, the gases produced require extensive Gasremigungsprozessc, and the gaseous Pyiolyseproduktc are not directly but only after additional and thus the Cost-increasing conversion processes can be used as petrochemical recyclables or as conventional engine fuel Under Development low temperature Flashpyrolyseverfahren in the temperature range between about 400 0 C and 500 0 C which are performed, for example for the direct liquefaction of wood in fluidized bed reactors, lead to inferior oil products which do not meet the quality expecta- conventional motor fuels. As a rule, these products have high oxygen and water contents and therefore low calorific values, are corrosive and as a rule thermodynamically unstable.
(Direkte) thermochemische Verfahren: Alternativ zu den pyrolytischen(Direct) thermochemical process: alternative to the pyrolytic
Verfahren gibt es (direkte) thermochemische Verfahren zur Verflüssigung holzartiger Biomasse, die mit Wasser als Reaktionsmedium unter sehr hohem Drücken bis über 200 bar und bei Temperaturen bis etwa 400 °C arbeiten und aufwändige Apparaturen erfordern. Die Produkte dieser Ver- fahren genügen bis dato ebenfalls nicht den Qualitätsansprüchen konventioneller Motorenkraftstoffe, da es sich eher um einen zähflüssigen Teer als ein Öl mit hohen Sauerstoffgehalten und entsprechend niedrigem Heizwert handelt.There are (direct) thermochemical processes for the liquefaction of woody biomass, which work with water as the reaction medium under very high pressures up to over 200 bar and at temperatures up to about 400 ° C and require expensive equipment. The products of these methods have also not met the quality requirements of conventional motor fuels to date, as it is more of a viscous tar than an oil with high oxygen contents and correspondingly low calorific value.
Hydrierende Druckumwandlung: Bekannt ist weiterhin die Hydrierung unter Druck in Rührkesseln oder Strömungsreaktoren zur Verbesserung der Produktqualität bei der Verflüssigung von organischen Stoffen mit Wasserstoffmangel wie z. B. Kohlen, oder von organischen Stoffen mit erhöhtem Sauerstoffanteil wie z. B. Holz. Als nachteilig erweisen sich bei diesen Verfahren die hohen Kosten, die wegen sehr hoher Betriebsdrücke von über 100 bar, hohen Verbrauches an teurem Wasserstoff, hoher Verweilzeiten der umzusetzenden Stoffe im Reaktor, erheblichen Katalysatoreinsatzes und unbefriedigender Produktausbeute entstehen.Hydrogenating pressure conversion: Also known is the hydrogenation under pressure in stirred tanks or flow reactors to improve the product quality in the liquefaction of organic materials with hydrogen deficiency such. As coals, or of organic substances with increased oxygen content such. Wood. Disadvantageous prove in these methods, the high cost, which arise because of very high operating pressures of over 100 bar, high consumption of expensive hydrogen, high residence times of the substances to be reacted in the reactor, considerable catalyst use and unsatisfactory product yield.
Einstufige hydrierende Druckumwandlung: Dieses Verfahren dient der Erzeugung flüssiger Brenn- und Kraftstoffe aus Biomasse. Auch bei der Direktverflüssigung organischer Substanzen durch einstufige hydrierende Druckumwandlung sind Drücke bis 100 bar bzw. 20-80 bar Wasserstoffdruck und Temperaturen von 450 °C notwendig. Es kommt wegen der hohen Temperaturen zu starken Verkoksungen, da die Kokskristallbildungstemperatur bei 420 °C liegt. Bei diesem Verfahren kommt es ver- stärkt zu Ablagerungen in den Leitungen, so dass längere Standzeiten sowie hohe Wartungskosten die Folge sind. Das Verfahren arbeitet nach Schockerwärmung der Rohstoffe in Kombination mit Schwerölkreislaufführung mit einem integrierten Sumpfphasenreaktor, was erschwerte technische Anforderungen an den Reaktor stellt: Er muss sowohl Destillati- onsfunktionen als auch Strippfunktionen erfüllen um Gasströme selektiv aufzunehmen. Die Massen- und Energiebilanz liegt bei diesem Verfahren bei 100% Holz als Edukt bei einer Ölausbeute von etwa 31% Öl, die E- nergieausbeute liegt jedoch bei 73%. Sowohl der hohe Sauerstoff- als auch der hohe Schwefelanteil im Produkt sind bei diesen Verfahren nicht zu- friedenstellend.Single-stage hydrostatic pressure conversion: This process is used to produce liquid fuels and fuels from biomass. Also in the direct liquefaction of organic substances by single-stage hydrogenating Pressure conversion is pressures up to 100 bar or 20-80 bar hydrogen pressure and temperatures of 450 ° C necessary. It comes because of the high temperatures to strong coking because the Kokskristallbildungstemperatur is 420 ° C. This process leads to increased deposits in the pipes, resulting in longer service lives and high maintenance costs. The process works after shock heating of the raw materials in combination with heavy oil circulation with an integrated bottom phase reactor, which makes difficult technical demands on the reactor: It has to fulfill both distillation functions and strip functions in order to selectively absorb gas streams. The mass and energy balance in this process is 100% wood as starting material with an oil yield of about 31% oil, but the energy yield is 73%. Both the high oxygen content and the high sulfur content in the product are unsatisfactory in these processes.
Darüber hinaus gibt es die katalytische drucklose Verölung (katalytisches Cracken). Katalytische Verflüssigung von Biomasse bei 350 °C bis 400 0C unter Atmosphärendruck dient der Herstellung von kohlenwasserstoffrei- chen flüssigen Brenn- und Kraftstoffen. Dieses Verfahren wurde ursprünglich entwickelt um aus Altölen und aus Ölschiefer Kraftstoffe zu gewinnen. Das Verfahren arbeitet immer unter Zugabe von Katalysatoren. Die Temperaturen können auch zwischen 280 °C bis 350 °C liegen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass ein vergleichsweise hoher Kata- lysatoranteil von ca. 1 % der Rohstoffmenge erforderlich ist und dass ein hoher Anteil an Abscheideprodukten entsteht. Die Verweilzeit im Reaktor liegt bei ca. 3 Minuten, so dass keine sehr großen Durchsätze möglich sind. Außerdem ist die Ausbeute bei organischen Stoffen unbefriedigender. Massen- und Energiebilanz: Bei diesem Verfahren kann von 100 % Holz eine Ölausbeute von 50 % Öl erreicht werden jedoch liegt die Energieausbeute bei 70 %. Sowohl der hohe Sauerstoff- als auch der hohe Schwefelanteil sind bei beiden Verfahren nicht zufrieden stellend. Spezielle Verfahren und Vorrichtungen sind außerdem bekannt aus nachfolgenden Patentanmeldungen oder Patenten:In addition, there is the catalytic pressure-free oiling (catalytic cracking). Catalytic liquefaction of biomass at 350 ° C to 400 0 C under atmospheric pressure is used for producing kohlenwasserstoffrei- chen liquid fuels and fuels. This process was originally developed to extract fuels from waste oils and oil shale. The process always works with the addition of catalysts. The temperatures can also be between 280 ° C to 350 ° C. A disadvantage of this process is that a comparatively high proportion of catalyst of about 1% of the raw material quantity is required and that a high proportion of precipitation products is formed. The residence time in the reactor is about 3 minutes, so that no very large throughputs are possible. In addition, the yield of organic substances is unsatisfactory. Mass and energy balance: In this process, oil yield of 50% oil can be achieved from 100% wood, but the energy yield is 70%. Both the high oxygen content and the high sulfur content are unsatisfactory in both processes. Special methods and devices are also known from the following patent applications or patents:
In der DE 103 16 969 Al ist ein Verfahren zur katalytischen Behandlung von Reststoffen im Rohrbündelreaktor zur Umwandlung kohlenwasser- stoffhaltiger Rückstände, wobei unter Verwendung spezieller ionentauschenden Katalysatoren im Öl-Katalysator-Suspensionskreislauf ein Ol zur Verwendung in Dieselmotoren erzeugt wird.DE 103 16 969 A1 discloses a process for the catalytic treatment of residues in the tube bundle reactor for the conversion of hydrocarbon-containing residues, wherein an oil for use in diesel engines is produced using special ion-exchanging catalysts in the oil-catalyst suspension cycle.
Die DE 100 49 377 C2 legt ein Verfahren dar, bei dem die Reststoffe in einem in Umlaufverdampfer und Reaktor im Kreislauf geführten Trägeröl unter Verwendung von Natriumaluminiumsilikat als Katalysator unter anderem in Dieselöl zerlegt werden.DE 100 49 377 C2 sets out a process in which the residues are decomposed in a circulating in evaporator and reactor recycled carrier oil using sodium aluminum silicate as a catalyst inter alia in diesel oil.
Auch die DE 199 41 497 Al beschreibt ein Verfahren zur katalytischen Verölung von kohlenwasserstoffhaltigen Reststoffen, welches durch die Vermischung der Reststoffe mit Katalysatoren aus Aluminiumsilikat in einem Destillationsbehälter und durch die Verwendung eines Verbren- nungsbehälters mit Wabenkatalysator gekennzeichnet ist, wobei die verschmutzen Katalysatoren nach Ausschleusung zusammen mit Reststoffen in einen Schwelbehälter gegeben werden.DE 199 41 497 A1 also describes a process for the catalytic oiling of hydrocarbon-containing residues, which is characterized by the mixing of the residues with catalysts of aluminum silicate in a distillation vessel and by the use of a combustion vessel with honeycomb catalyst, wherein the polluted catalysts together after removal be placed in a Schwelbehälter with residues.
In der EP 1 538 191 Al wird die Erzeugung von Dieselöl aus kohlenwas- serstoffhaltigen Reststoffen unter Verwendung von dotierten Aluminiumsilikaten als Katalysatoren beschrieben, bei der in einem Ölkreislauf mit Feststoffabscheidung und Produktdestillation der Energieeintrag durch Pumpen und gegenläufige Rührwerke erfolgt und die Oberflächen durch die Rührwerke kontinuierlich gereinigt werden. Schließlich legt die EP 1 101 812 Bl ein Verfahren 2ur Konvertierung chlorhaltiger Plastikabfälle in Öl dar, welches jedoch unter Verwendung überkritischen Wassers erfolgt.EP 1 538 191 A1 describes the production of diesel oil from hydrocarbon-containing residues using doped aluminum silicates as catalysts, in which the energy input through pumps and counter-rotating agitators takes place in an oil circuit with solids separation and product distillation, and the surfaces are continuously fed by the agitators getting cleaned. Finally, EP 1 101 812 B1 discloses a process for the conversion of chlorine-containing plastic waste into oil, which, however, is carried out using supercritical water.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur direkten thermochemischen Umwandlung (oder: Umsetzung) von höhermolekularen organischen Edukten in niedermolekulare organische, bei Raumtemperatur flüssige Produkte, die vorzugsweise frei oder arm an Heteroatomen sind, zu schaffen, bei denen eine gute Energiebilanz oder ein hoher Wirkungsgrad der Umwandlung erreicht wird und Abfälle möglichst gering gehalten oder ganz vermieden werden.Based on this prior art, the present invention has the object, a new method and a new device for direct thermochemical conversion (or: conversion) of higher molecular weight organic starting materials in low molecular weight organic liquid at room temperature, preferably free or poor in heteroatoms to achieve a good energy balance or high conversion efficiency and to minimize or eliminate waste.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merk- malen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 29 gelöst.This object is achieved by a method with the features of claim 1 and by a device having the features of claim 29.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einschließlich der Figuren.Preferred embodiments and further developments of the method and the device of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description including the figures.
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 zur thermochemischen Umsetzung von Edukten (oder: Ausgangssubstanzen, Rohstoffen), die höhermolekulare organischen Komponenten enthalten, in niedermolekulare Pro- dukte, die organische, brennbare Produkte umfassen, umfast wenigstens zwei Stufen. In einer ersten Stufe werden zumindest die die folgenden Schritte durchgeführt:The process according to claim 1 for the thermochemical conversion of educts (or: starting substances, raw materials) containing higher molecular weight organic components into low molecular weight products comprising organic, combustible products comprises at least two stages. In a first stage, at least the following steps are performed:
Aufheizen wenigstens eines Eduktes zur Durchführung einer thermischen Umwandlungsreaktion in einem Sumpf, wobei ein Reakti- onsgemisch mit wenigstens zwei Phasen entsteht,Heating at least one educt to carry out a thermal conversion reaction in a sump, whereby a reaction mixture with at least two phases is formed,
Abtrennen wenigstens einer ersten Phase und einer zweiten Phase aus dem Reaktionsgemisch, wobei die zweite Phase wenigstens ein niedermolekulares organisches und bei Raumtemperatur flüssiges, brennbares Produkt enthält,Separating at least a first phase and a second phase from the reaction mixture, the second phase at least one contains low molecular weight organic and liquid at room temperature, flammable product,
In einer zweiten Stufe werden wenigstens die folgenden Schritte durchgeführt: - Aufheizen wenigstens eines Teils der ersten Phase des Reaktions- gemischs aus der ersten Stufe zur Durchführung einer thermischenIn a second stage, at least the following steps are carried out: heating at least a portion of the first phase of the reaction mixture from the first stage to perform a thermal
Umwandlungsreaktion, wobei wiederum ein Reaktionsgemisch mit wenigstens zwei Phasen entsteht undConversion reaction, in turn, a reaction mixture is formed with at least two phases and
Abtrennen einer Phase aus dem in der zweiten Stufe entstandenen Reaktionsgemisch, welche Phase wenigstens ein niedermolekulares organisches, brennbares Produkt enthält.Separating a phase from the reaction mixture formed in the second stage, which phase contains at least one low molecular weight organic combustible product.
Die zweite Stufe umfasst in einer vorteilhaften Variante ebenfalls eine Sumpfreaktion und kann darüber hinaus abhängig vom Edukt eine ther- modynamisch unter hohem Druck stattfindende Reaktion oder eine kata- lytische, insbesondere unter niedrigen Drücken, beispielsweise etwa Atmosphärendruck, stattfindende Reaktion umfassen.In an advantageous variant, the second stage likewise comprises a bottom reaction and, moreover, depending on the starting material, may comprise a reaction taking place thermodynamically under high pressure or a catalytic reaction taking place in particular at low pressures, for example about atmospheric pressure.
In einer bevorzugten Aus führungs form ist die erste Phase des in der ers- ten Stufe entstandenen Reaktionsgemischs und/oder eine zweite Phase des in der zweiten Stufe entstandenen Reaktionsgemischs eine im Wesentlichen feste Phase und wird vorzugsweise einer Pyrolysereaktion in der zweiten Stufe zugeführt.In a preferred embodiment, the first phase of the reaction mixture formed in the first stage and / or a second phase of the reaction mixture formed in the second stage is a substantially solid phase and is preferably fed to a pyrolysis reaction in the second stage.
Die Phase(n), die wenigstens ein niedermolekulares organisches, brennbares Produkt enthält, werden vorzugsweise in der Gasphase oder Dampfphase aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt und anschließend wird vorzugsweise eine Stofftrennung, insbesondere durch Destillation, durchgeführt.The phase (s) containing at least one low molecular weight organic, combustible product are preferably separated from the reaction mixture in the gas phase or vapor phase, and then a separation of substances, in particular by distillation, is preferably carried out.
In einer besonders vorteilhaften Aus führungs form wird die erste Phase zumindest partiell in den Sumpf der ersten Stufe zurückgeführt und/oder wird die erste Phase des in der ersten Stufe entstandenen Reaktionsge- mischs und/oder eine zweite Phase eines in der zweiten Stufe, vorzugsweise in einem Sumpf, entstandenen Reaktionsgemischs eine im Wesentlichen flüssige Phase ist und in eine dünnflüssigere Teilphase und eine dickflüssigere Teilphase getrennt wird und bei dem die dünnflüssigere Teilphase der Reaktion der jeweiligen Stufe zurückgeführt wird.In a particularly advantageous embodiment, the first phase is at least partially returned to the sump of the first stage and / or the first phase of the reaction mixture formed in the first stage and / or a second phase of a reaction mixture formed in the second stage, preferably in a sump, is a substantially liquid phase and is separated into a less viscous subphase and a more viscous subphase, and in which the thinner partial phase of the reaction of the respective stage is recycled.
Wenn in der zweiten Stufe eine katalytische Reaktion durchgeführt wird, wird nun vorzugsweise die dickflüssige Teilphase der zweiten Phase des in der zweiten Stufe entstandenen Reaktionsgemischs mit Katalysator(en) geimpft und dann der katalytischen Reaktion der zweiten Stufe zurückgeführt. Die dickflüssigere Teilphase der ersten Phase des in der ersten Stufe entstandenen Reaktionsgemischs der Reaktion wird vorzugsweise der zweiten Stufe zugeführt zum weiteren Zersetzen oder Cracken.When a catalytic reaction is carried out in the second stage, it is now preferable to seed the viscous subphase of the second phase of the second stage reaction mixture with catalyst (s) and then return it to the second stage catalytic reaction. The thicker phase portion of the first phase of the first stage reaction mixture of the reaction is preferably fed to the second stage for further decomposition or cracking.
Die erste Stufe und/oder die zweite Stufe umfasst vorzugsweise eine Hydrierungsreaktion des Reaktionsgemischs.The first stage and / or the second stage preferably comprises a hydrogenation reaction of the reaction mixture.
Insbesondere umfasst ein Verfahren zur (direkten) thermochemischen Umwandlung von Edukten, die höhermolekulare organischen Komponenten umfassen, in niedermolekulare organische bei Raumtemperatur flüssige Produkte, in einer ersten Schrittfolge ein Aufheizen der Edukte auf Reaktionstemperatur zur Durchführung einer zumindest partiellen Crack- reaktion in einer Sumpfphase unter hydrierenden Bedingungen. Nach Ab- lauf der Reaktion findet eine Auftrennung der einzelnen Phasen des dreiphasigen Reaktionsgemisches statt, wobei diese Phasentrennung derart gestaltet ist, dass die Durchführung einer ersten Stufe eine produktorientierten Verweilzeitsteuerung der einzelnen Phasen, respektive Komponenten bewirkt. Besonders vorteilhaft ist dabei die zumindest partielle Rück- führung der schwerflüchtigen Produktfraktion in die Sumpfphase, da ihre katalytischen Eigenschaften zur Erlangung der gewünschten Produktausbeute und Reinheit wesentlich beitragen. Überführung der leichtflüchtigen Produktfraktionen nach einer ersten Phasentrennung in eine nächste Reaktionsstufe, die in einem zweiten Reaktor durchgeführt werden kann, und die erneutes Unterziehen einer Crack- und Hydrolysereaktionen in Gegenwart eines katalysierenden Sumpfes umfasst, bewirkt eine weitere vorteilhafte Steigerung der Ausbeute an gewünschtem Produkt und verbessert überdies dessen Reinheit, da sein Heteroatomgehalt gesenkt werden kann.In particular, a process for (direct) thermochemical conversion of educts comprising higher molecular weight organic components in low molecular weight organic liquid at room temperature products, in a first step, heating the reactants to reaction temperature for performing an at least partial cracking reaction in a bottom phase under hydrogenating Conditions. After completion of the reaction, a separation of the individual phases of the three-phase reaction mixture takes place, wherein this phase separation is designed such that the implementation of a first stage causes a product-oriented residence time control of the individual phases, respectively components. Particularly advantageous is the at least partial recycling of the low-volatility product fraction into the bottom phase, since their catalytic properties substantially contribute to obtaining the desired product yield and purity. Transfer of the volatile Product fractions after a first phase separation into a next reaction stage, which can be carried out in a second reactor, and repressurizing cracking and hydrolysis reactions in the presence of a catalyzing bottoms, provides a further advantageous increase in the yield of the desired product and, moreover, improves its purity because its heteroatom content can be lowered.
Je nach Eduktzusammensetzung und Einsatzbereich kann das Verfahren in den zwei Schrittfolgen angepasst und optimiert werden, beispielsweise hinsichtlich der Druckbeaufschlagung der Reaktionsgefäße.Depending on the educt composition and field of application, the process can be adapted and optimized in the two step sequences, for example with regard to the pressurization of the reaction vessels.
Dabei ist vorteilhaft, dass die Anlage die Umschaltung bzw. flexible Handhabung der Schrittfolgen erlaubt, was zu einer ökonomischen Reak- tionsführung beiträgt; sowohl hinsichtlich der einzusetzenden Energie als auch der Reaktanden, als auch in zeitlicher Hinsicht. So kann beispielsweise zuerst ein katalytisches druckloses Cracken oder Reinigen durchgeführt werden, dem eine hydrierende Druckumwandlung nachgeschaltet werden kann, wenn die Edukte dies sinnvoll erscheinen lassen. Alternativ kann unter Druck gecrackt und drucklos hydriert werden. Schließlich ist es auch möglich, dem Cracken unter Druck, bei dem gegebenenfalls Kokskomponenten entstehen, einen Pyrolyseschritt folgen zu lassen: So werden auch diese harten Kokse in Produktöl umgewandelt. Je nach Eduktzusammensetzung und gewünschter Produktverteilung ist es auch denkbar, dass sowohl Cracken als auch Hydrierung entweder beide drucklos oder beide unter Druck durchgeführt werden.It is advantageous that the system allows the switching or flexible handling of the sequences of steps, which contributes to an economic reaction leadership; both in terms of the energy to be used and the reactants, as well as in terms of time. Thus, for example, first a catalytic pressure-free cracking or cleaning can be performed, which can be followed by a hydrostatic pressure conversion, if the educts make sense. Alternatively, it can be cracked under pressure and hydrogenated without pressure. Finally, it is also possible to follow the cracking under pressure, possibly resulting Kokskomponenten a pyrolysis step: So these hard cokes are converted into product oil. Depending on the educt composition and the desired product distribution, it is also conceivable that both cracking and hydrogenation are either carried out both under pressure or both under pressure.
Der im Prozess entstehende Sumpf, der katalytische Komponenten enthält, wird stets wieder in die erste katalysierte Stufe zurückgeführt und unterstützt den Prozess damit vorteilhaft. Der Fachmann, der die Eigenschaften der Ausgangsprodukte kennt, kann somit durch die Wahl der genannten Alternativen, verbunden mit der selektiven Handhabung der Pa- rameter Druck und Temperatur, vorteilhaft die Qualität des Produktes bestimmen und die Energiebilanz verbessern.The bottoms produced in the process, which contain catalytic components, are always returned to the first catalyzed stage and thus support the process in an advantageous manner. The person skilled in the art, who knows the properties of the starting products, can thus by choosing the named alternatives, combined with the selective handling of the paste Pressure and temperature, favorably determine the quality of the product and improve the energy balance.
In einem Ausführungsbeispiel wird in der ersten Schrittfolge nach Scho- ckerwärmung der Edukte unter autokatalytischem Kreislauf der schwer- flüchtigen Produktfraktion in dem Sumpfphasenreaktor unter Druck Cra- cken mit selektiver produktorientierter Verweilzeitsteuerung durchgeführt und in der zweiten Schrittfolge wird der Rohstoff in einem drucklosen Rotationsreaktor weiter verarbeitet. Die Gründe zur Wahl dieser Verfah- rensdurchführung können sich durch die Eduktzusammensetzung ergeben.In one embodiment, in the first step after Schokkerwärmung the educts under autocatalytic circulation of the heavy-volatile product fraction in the bottom phase reactor under pressure cracking with selective product-oriented residence time control is performed and in the second step sequence, the raw material is processed in a non-pressurized rotary reactor. The reasons for choosing this procedure can be determined by the educt composition.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass im Prozess selbst Nebenprodukte entstehen, welche wieder in den Prozess einfließen: So kann eine schwerflüchtige Produktfraktion mit katalytischen Eigenschaften erhalten werden, die, einmal entstanden, stets in den Prozess rückgeführt wird und somit den Zukauf von Katalysator verringert oder erspart. Die genannte Kreislaufführung führt vorteilhaft zu sehr guter Qualität und Ausbeute der Produkte bei gleichzeitiger Verringerung der Reaktionstemperaturen und Drücke. Schließlich ist eine erhebliche Anzahl von Stoffen mittels des erfindungs- gemäßen Verfahrens in dünnflüssige, brennbare Öle, also Energieträger, umwandelbar: Selbst Reststoffe, sortierter Müll, biologische Rückstände und Problemstoffe kommen in Frage für die erfindungsgemäße Umsetzung, womit eine ökologische und ökonomische Aufgabenstellung gelöst werden könnte.It is also advantageous that by-products are formed in the process itself, which again flow into the process: Thus, a nonvolatile product fraction with catalytic properties can be obtained which, once formed, is always recycled to the process and thus reduces or eliminates the purchase of catalyst. The said circulation leads advantageously to very good quality and yield of the products while reducing the reaction temperatures and pressures. Finally, a considerable number of substances by means of the inventive method in low-viscosity, combustible oils, ie energy carriers, convertible: even residues, sorted garbage, biological residues and problematic substances come into question for the implementation of the invention, thus an ecological and economic problem to be solved could.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Patentanspruch 29 ist geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie umfasst im Wesentlichen zwei beheizbare Reaktoren mit zumindest je einem Einlassund einer Auslassvorrichtung zum Beschicken mit Edukt und zur Ent- nähme von Produkt und Zwischenprodukt. Vorteilhaft ist es, wenn zumindest einer der Reaktoren ein Druckreaktor ist, so dass beispielsweise die Hydrierung unter Druckbeaufschlagung erfolgen kann. Zur Beschi- ckung des ersten Reaktors mit Produkt steht dieser mit einem Fördersystem in Verbindung. Sodann ist an oder in dem ersten Reaktor eine erste Phasetrenneinrichtung angeordnet, damit das Reaktionsgemisch in seine leicht- und schwerflüchtigen Bestandteile aufgetrennt werden kann. Die leichtflüchtigen Bestandteile, die letztlich das Zielprodukt, nämlich dünnflüssiges, brennbares Öl enthalten, werden zur weiteren Veredelung vom ersten Reaktor in den zweite Reaktor überführt; vorteilhaft stehen beide Reaktoren miteinander in direkter fluidischer Verbindung. Damit eine zweite abgetrennte Reaktionsphase, die im Wesentlichen schwer flüchtige Komponenten enthält, ebenfalls weiterverarbeitet werden kann, wird sie weiteren Phasentrennungsschritten in Phasentrenneinrichtungen unterworfen, die ebenfalls mit dem ersten Reaktor verbunden sind. So kann vorteilhaft eine Schwerölfraktion, gegebenenfalls mit feinkörnigen Feststoffanteilen, über mehrere Schritte abgetrennt und wieder in den ersten Reaktor zurückgeführt werden, wo sie ihre vorteilhafte katalysierende Wirkung entfaltet.The inventive device according to claim 29 is suitable for carrying out the method according to the invention. It essentially comprises two heatable reactors with at least one inlet and one outlet device each for charging with educt and for removing product and intermediate product. It is advantageous if at least one of the reactors is a pressure reactor, so that, for example, the hydrogenation can be carried out under pressure. For The first reactor with product is connected to a delivery system. Then, a first phase separator is arranged on or in the first reactor, so that the reaction mixture can be separated into its volatile and nonvolatile constituents. The volatile constituents, which ultimately contain the target product, namely low-viscosity, combustible oil, are transferred from the first reactor to the second reactor for further refining; Advantageously, both reactors are in direct fluid communication with each other. In order for a second separated reaction phase, which contains essentially sparingly volatile components, to also be processed further, it is subjected to further phase separation steps in phase separators, which are also connected to the first reactor. Thus, advantageously, a heavy oil fraction, optionally with fine-grained solid fractions, separated over several steps and recycled back into the first reactor, where it unfolds their advantageous catalyzing effect.
Verschiedene Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mit unterschiedlichen Phasentrenn-, Gastrenn-, Kondensations- oder Destilla- tions- oder Heizvorrichtungen ausgestattet, die dem Fachmann bekannt sind und die auf die produktabhängigen Erfordernisse abgestimmt werden.Various embodiments of the device according to the invention are equipped with different phase separation, gas separation, condensation or distillation or heating devices which are known to the person skilled in the art and which are matched to the product-dependent requirements.
Die nachfolgenden Erläuterungen definieren zunächst die in der Be- Schreibung und den Ansprüchen verwendeten Begriffe.The following explanations first define the terms used in the description and the claims.
Rohstoffe bzw. Edukte: Grundsätzlich werden dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zur direkten thermochemischen Umwandlung in niedrigviskose und bei Raumtemperatur brennbare Flüssigkeiten folgende or- ganischen Substanzen oder organische Substanzen enthaltende Stoffgemische bzw. „Edukte" unterworfen: Kohlenstoffhaltige Stoffe oder Stoffgemische, bestehend aus langkettigen oder vernetzten Molekülen wie nachwachsende Rohstoffe, beispielsweise Biomasse, Energiepflanzen oder Pflanzenöl und Tierfett, oder auch Abfallstoffe beginnend bei Kohlenwasserstoffen wie Plastikabfälle, Alt- und Schwerölen, über Cellulosen pflanzlichen Ursprungs einschließlich ihrer Verarbeitungsprodukte wie bei- spielsweise kontaminierte Holzabfälle und entsprechende Hausmüllfraktionen. In Frage kommen auch organische eiweißhaltige Abfallstoffe, die auch Tierabfälle umfassen. Des Weiteren kommen als umzuwandelnde Substanzen Sedimente mit erhöhten organischen Anteilen wie feinkörnige Siebfraktionen des Baggergutes aus Hafengewässern und Klärschlamm als Edukte in Frage.Raw materials or educts: In principle, the process of the present invention for direct thermochemical conversion into low-viscosity and combustible at room temperature liquids, the following organic substances or organic substances containing mixtures or "starting materials" subjected: Carbonaceous substances or mixtures consisting of long-chain or crosslinked Molecules like Renewable resources, such as biomass, energy crops or vegetable oil and animal fat, or waste starting from hydrocarbons such as plastic waste, used and heavy oils, on celluloses of plant origin including their processing products such as contaminated wood waste and corresponding household waste fractions. Also suitable are organic protein-containing waste materials, which also include animal waste. Further suitable substances to be converted are sediments with increased organic content, such as fine-grained sieve fractions of dredged material from harbor waters and sewage sludge as starting materials.
Thermochemischen Umwandlung: Hiermit sind im Wesentlichen zwei Begriffe gemeint, nämlich das klassische Cracken, also die Umsetzung langkettiger in kürzerkettige Moleküle, und das Reinigen. Reinigen kommt insbesondere dann in Frage, wenn verschmutztes Öl in ein höherwertiges Produkt umgesetzt werden soll. Das Öl wird dann im Wesentlichen abdestilliert und der Rückstand bzw. Sumpf weiter aufgearbeitet.Thermochemical transformation: This essentially means two terms, namely classic cracking, ie the conversion of long-chain into shorter-chain molecules, and cleaning. Cleaning is particularly in question when dirty oil is to be converted into a higher quality product. The oil is then substantially distilled off and the residue or sump further worked up.
Hochwertige organischen Produkte: Nachfolgend werden als „hochwerti- gen organischen Produkte" folgende niedrigviskose Substanzen, respektive Flüssigkeiten, mit hohem Kohlenwasserstoffanteil und hoher Wertschöpfung wie z. B. petrochemische heteroatomarme oder -freie Wertstoffe und Motorenkraftstoffe bezeichnet, nur um einige nicht abschließend beispielhaft zu nennen.High-quality organic products: In the following, "low-grade organic products" are the following low-viscosity substances or liquids with a high proportion of hydrocarbons and high added value, such as petrochemical heteroatom-poor or -free recyclables and motor fuels, just to name a few examples ,
Zielprodukte: Die Zielprodukte sind besonders reine hochwertige organische Produkte, nämlich im Wesentlichen reine Kohlenwasserstoffe, die somit lediglich aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen und keine Heteroatome enthalten.Target products: The target products are especially pure high-quality organic products, namely essentially pure hydrocarbons, which thus consist only of the elements carbon and hydrogen and contain no heteroatoms.
Heteroatome: Kohlenwasserstoffe, die nicht rein sind, können Heteroatome enthalten. Hierunter sind Atome im Kohlenwasserstoff zu verste- hen, die nicht Kohlenstoff oder Wasserstoff sind. Mindestens ein Kohlenstoff oder ein Wasserstoff wird im Kohlenwasserstoff durch ein Hetero- atom wie Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel, Phosphor oder Metall ersetzt. Rohstoffe mit geringem Heteroatomanteil sind zum Beispiel Alt- und Schweröle aber auch Polyethylen und ähnliche Kunststoffe. Zu Rohstoffen mit hohem Heteroatomanteil gehören beispielsweise biologische Substanzen pflanzlichen und tierischen Ursprungs. Demnach lassen sich Rohstoffe auch an Hand ihres Heteroatomanteils charakterisieren.Heteroatoms: Hydrocarbons that are not pure may contain heteroatoms. These include atoms in the hydrocarbon which are not carbon or hydrogen. At least one carbon or hydrogen is replaced in the hydrocarbon by a heteroatom such as nitrogen, oxygen, sulfur, phosphorus or metal. Raw materials with a low content of heteroatoms are for example used and heavy oils but also polyethylene and similar plastics. For example, high heteroatom content ingredients include biological substances of plant and animal origin. Accordingly, raw materials can also be characterized by their heteroatom content.
Anorganischen Bestandteile der Edukte: Neben den vorgenannten organischen Substanzen sind anorganischen Bestandteile zu berücksichtigen, die u. a. Mineralstoffe oder Ascheanteile aber auch reine Metalle umfassen, die z. B. in Elektrokabel- und Autoreifenabfälle enthalten sind. Die anorganischen Anteile der genannten Abfallstoffe oder Edukte variieren in Gehalt und Zusammensetzung. Alt- und Schweröle sowie reine Plastikfraktionen, aber auch reine Biomassefraktionen enthalten in der Regel sehr geringe Ascheanteile. Bei Knochenmehl und Hafenschlick dagegen können die anorganischen Anteile mehr als 50 Gew. % betragen.Inorganic constituents of the educts: In addition to the abovementioned organic substances, inorganic constituents are to be taken into consideration, which are among others. a. Minerals or ash but also pure metals include z. B. are included in electrical cable and car tire waste. The inorganic proportions of said wastes or starting materials vary in content and composition. Old and heavy oils and pure plastic fractions, but also pure biomass fractions usually contain very low levels of ash. By contrast, in the case of bone meal and port silt, the inorganic content may be more than 50% by weight.
Produktöl: Als Hauptreaktionsprodukte entsteht bei Umsetzung der E- dukte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren so genanntes Produktöl, welches die Zielfraktion niedrigmolekularer flüssiger Brennstoffe darstellt.Product oil: The main reaction products produced by reacting the products according to the process of the invention are so-called product oils, which are the target fraction of low molecular weight liquid fuels.
Drucklos: Meint hierin Arbeiten im Druckbereich bis 10"1 bar. Überkri- tisch: Wenn flüssige Phase und Gasphase auf Grund der Druck- undPressurized: This refers to work in the pressure range up to 10 "1 bar: Supercritical: When the liquid phase and gas phase due to the pressure and pressure
Temperaturverhältnisse nicht mehr unterscheidbar sind, liegt ein überkritisches Fluid bzw. ein überkritischer Zustand vor, bei vorliegenden Verfahren im Bereich von 20 bis 80 bar.Temperature conditions are no longer distinguishable, there is a supercritical fluid or a supercritical state, in the present process in the range of 20 to 80 bar.
Selektive produktorientierte Verweilzeitsteuerung: Vorliegend bedeutet eine selektive produktorientierte Verweilzeitsteuerung die Verwendung einer integrierten Phasentrennung in einem der verwendeten Reaktoren, wobei die Phasentrennung eine Destillations- oder Strippfunktion oder eine Kombination aus beiden umfasst, so dass die Verweildauer der schwer- und der leichtflüchtigen Komponenten im Reaktor spezifisch gesteuert werden kann. Damit werden die Crackprodukte sofort und gezielt aus der Reaktionszone entfernt, wenn deren Moleküle gerade die gewünschte Kettenlänge erreicht haben. Somit kommt dem im Kreislauf geführten schwerflüchtigen Produktstrom eine andere Verweilzeit im Reaktor zu als den Rohstoffen, weil diese Rohstoffe in der Regel bereits selber aus verschiedenen chemischen Komponenten bestehen, die zur Überfüh- rung in Produkt komponentenspezifische verschiedene Verweilzeiten erfordern.Selective Product-Oriented Residence Time Control: In the present context, a selective product-oriented residence time control means the use of an integrated phase separation in one of the reactors used, wherein the phase separation comprises a distillation or stripping function or a combination of both, so that the residence time of the heavy and the volatile components in the reactor can be specifically controlled. Thus, the cracking products are immediately and selectively removed from the reaction zone when their molecules have just reached the desired chain length. Thus, the non-volatile product stream circulated in the circuit has a different residence time in the reactor than the raw materials, because these raw materials usually already consist of various chemical components which require component-specific, different residence times in order to convert into product.
Vorzugsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren nach drei Alternativen ausgeführt werden:Preferably, the method according to the invention can be carried out according to three alternatives:
Alternative 1 : Hier wird in einer ersten Phase nach Erwärmung der Rohstoffe im autokatalytischen Kreislauf schwerflüchtiger Produktes in einem Sumpfphasenreaktor unter Druck Cracken mit selektiver produktorientierter Verweilzeitsteuerung durchgeführt. In der zweiten Phase wird der Rohstoff in einen zweiten Reaktor überführt, der hier ein druckloser Rotationsreaktor ist. Die Verfahrensschritte Hydrieren bzw. Verölen werden hier ohne Druckbeaufschlagung durchgeführt; es liegt also eine drucklose Verölung vor. Die Notwendigkeit der Verwendung zweier Reaktoren mit einem ersten, druckbeaufschlagten und einem zweiten, der drucklos be- trieben ist, können in den Eigenschaften des umzusetzenden Rohstoffes liegen.Alternative 1: Here, in a first phase, after heating the raw materials in the autocatalytic circuit of low-volatility product, cracking with selective product-oriented residence time control is carried out under pressure in a bottom phase reactor. In the second phase, the raw material is transferred to a second reactor, which here is a non-pressurized rotary reactor. The process steps hydrogenating or oiling are carried out here without pressurization; So there is a pressureless oiling. The necessity of using two reactors with a first, pressurized and a second, which is operated without pressure, may be due to the properties of the raw material to be reacted.
Alternative 2: Durchführung wie in Alternative 1 , jedoch mit umgekehrter Handhabung der Drücke in den Reaktoren. Diese vorteilhafte Alternative 2 kann den Sauerstoffgehalt und der Schwefelgehalt im Produktöl weiter senken, wobei die Ölausbeute und die Energieausbeute erheblich gesteigert werden. Alternative 3: Sie wird bezüglich der ersten Phase vorteilhaft so ausgeführt wie die erste Alternative, das heißt, dass nach starker Erwärmung der Rohstoffe im autokatalytischen Kreislauf des schwerflüchtigen Pro- duktes in einem Sumpfphasenreaktor unter Druck gecrackt wird; die Verweilzeit im Reaktor ist selektiv und Produkt orientiert. In der zweiten Phase werden nun die hierbei entstandenen so genannten „harten" Kokse einem pyrolytischen Schritt unterzogen, so dass bei Temperaturen von bis zu 1400 0C eine Überführung zum Produktöl stattfindet.Alternative 2: Procedure as in alternative 1, but with reverse handling of the pressures in the reactors. This advantageous alternative 2 can further reduce the oxygen content and the sulfur content in the product oil, whereby the oil yield and the energy yield are considerably increased. Alternative 3: With regard to the first phase, it is advantageously carried out in the same way as the first alternative, that is to say that after severe heating of the raw materials in the autocatalytic cycle of the low-volatility product, cracking under pressure in a bottom-phase reactor; the residence time in the reactor is selective and product oriented. In the second phase, the resulting so-called "hard" cokes are now subjected to a pyrolytic step, so that takes place at temperatures of up to 1400 0 C, a transfer to the product oil.
Dieses völlig neuartige Bündel an verfahrenstechnischen Maßnahmen führt zu vorteilhaften Resultaten. Es werden dadurch gleichzeitig überraschend gute Qualität und Ausbeute der Produkte erzielt, notwendige Reaktionstemperaturen und Drücke gesenkt und der Aufwand an zusätzlich einzusetzenden Katalysatoren stark verringert. Zum Teil kann auf zusätzliche Katalysatoren sogar ganz verzichtet werden. Durch diese extrem positiven und nicht vorhersehbaren Ergebnisse rückt die direkte thermo- chemische Verflüssigung von organischen Rohstoffen in den wirtschaftlich sehr attraktiven Bereich. Überdies wird die Anzahl der in dünnflüssi- ge Öle umwandelbaren Stoffe in einem bisher nicht denkbaren Maße erweitert. Dies betrifft vor allem die Reststoffe, den sortierten Müll und die biologischen Rückstände und Problemstoffe.This completely new bundle of procedural measures leads to advantageous results. At the same time, surprisingly good quality and yield of the products are achieved, necessary reaction temperatures and pressures are lowered, and the amount of additional catalysts to be used is greatly reduced. In some cases, it is even possible to completely dispense with additional catalysts. These extremely positive and unpredictable results put the direct thermo-chemical liquefaction of organic raw materials in the economically very attractive range. In addition, the number of substances that can be converted into low-viscosity oils is being expanded to an unprecedented degree. This mainly concerns the residues, the sorted waste and the biological residues and problem substances.
Die Schockerwärmung mit anschließender druckloser Verölung wird er- reicht, indem die Rohstoffe in wenigen Sekunden oder Bruchteilen von Sekunden auf Reaktionstemperatur aufgeheizt werden. Diese erfindungsgemäße Schnellerwärmung lässt sich beispielsweise durch direktes Einbringen ausreichend zerkleinerten Rohstoffes in die intensiv vermischte Sumpfphase des Reaktors realisieren. Vorzugsweise werden die Rohstoffe unmittelbar vor dieser Schnellerwärmung zunächst auf eine Temperatur knapp unterhalb der jeweils niedrigsten Cracktemperatur ihrer Komponenten vorgewärmt. Zu besten Ergebnissen führt eine Schockerwärmungsbehandlung mit anschließender druckloser VerÖlung dann, wenn sie in Kombination mit der Kreislaufführung der schwerflüchtigen Produktphase angewandt wird, die im Reaktor entsteht. Auch umgekehrt ist die Rückführung schwerflüchtigen Produktes in den Reaktor bzw. in die Reaktoren nur in Verbindung mit der Schockerwärmung, kombiniert mit anschließender druckloser Verölung oder zuerst mit druckloser VerÖlung und mit anschließender Schockerwärmung am erfolgreichsten, denn dann können die katalytische Effekte dieser Produktphase sich auswirken. Diese katalytischen — oder autokatalytischen, da der Katalysator während der Reaktion entsteht - Effekte können nun Absenkungen der benötigten Cracktemperaturen und des Verbrauchs an zusätzlichen Crackkatalysatoren bewirken.The shock heating with subsequent pressureless oiling is achieved by heating the raw materials in a few seconds or fractions of seconds to reaction temperature. This rapid heating according to the invention can be realized for example by directly introducing sufficiently comminuted raw material into the intensively mixed bottom phase of the reactor. Preferably, immediately before this rapid heating, the raw materials are first preheated to a temperature just below the respective lowest cracking temperature of their components. For best results, a shock-heating treatment with subsequent depressurisation results when used in combination with the recirculation of the low volatility product phase produced in the reactor. Conversely, the return of low-volatility product in the reactor or in the reactors only in conjunction with the shock heating, combined with subsequent pressureless oiling or first with pressureless oiling and subsequent shock heating most successful, because then the catalytic effects of this product phase can be affected. These catalytic or autocatalytic effects, as the catalyst is generated during the reaction, can now cause reductions in the required cracking temperatures and in the consumption of additional cracking catalysts.
Der Versuch mit Holz und anderen lignocellulosehaltigen Roh- und Abfallstoffen sowie mit Hafenschlick hat gezeigt, dass zusätzliche Crackkatalysatoren vollkommen verzichtbar sind. Liegen Rohstoffe mit einem Mangel an Wasserstoff und/oder einem erhöhten Heteroatomanteil vor, wird ein reduzierender Gasstrom fein verteilt durch das flüssige Reaktionsge- misch geleitet. Als reduzierender Gasanteil wird vorzugsweise Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid verwendet. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Kombination aus Schockerwärmung und anschließender druckloser Verölung unter Rückführung schwerflüchtiger Komponenten in den Produktkreislauf können auch die Hydrierreaktionen optimiert werden: So können benötigten Überdrücke erheblich reduziert werden, in der Regel auf Werte weit unter 80 bar. Auch der Bedarf an Hydrierkatalysatoren ü- berraschend verringert sich. Und auch im Hinblick auf die Hydrierung wurden sogar erstaunlich gute Resultate vollkommen ohne Hydrierkatalysatoren gefunden, oftmals gerade bei den Stoffen, bei denen auch auf zu- sätzliche Crackkatalysatoren verzichtet werden kann. Zusätzlich zu den Verbesserungen, die allein durch die Kombination der Schockerwärmung mit druckloser Verölung und Kreislaufführung schwer- flüchtigen Produktes gegenüber bekannten Verfahren bereits erreicht werden, wird eine weitere, wirtschaftlich sehr wichtige Verbesserung ü- berraschenderweise dadurch erreicht, dass man Schockerwärmung mit druckloser Verölung und Schwerölkreislaufführung erfindungsgemäß verbindet mit Sumpfphasenreaktion und selektiv produktorientierter Verweilzeitsteuerung. Es wurde gefunden, dass sich hierdurch die Produktausbeute entscheidend steigern lässt, der Sauerstoff- und Schwefelanteil deutlich sinken und die Energiebilanz entsprechend steigt.The trial with wood and other lignocellulosic raw and waste materials and harbor silt has shown that additional cracking catalysts are completely dispensable. If there are raw materials with a lack of hydrogen and / or an increased proportion of heteroatoms, a reducing gas stream is passed finely distributed through the liquid reaction mixture. Hydrogen and / or carbon monoxide is preferably used as the reducing gas component. In conjunction with the combination of shock heating according to the invention and subsequent pressureless oiling with recycling of low-volatility components into the product cycle, the hydrogenation reactions can also be optimized: Thus, required overpressures can be considerably reduced, generally to values far below 80 bar. The demand for hydrogenation catalysts also surprisingly decreases. And even with regard to the hydrogenation even surprisingly good results were found completely without hydrogenation catalysts, often just in those substances in which can be dispensed with additional cracking catalysts. In addition to the improvements that are already achieved by the combination of shock heating with pressureless oiling and circulation heavy product over known methods, a further, economically very important improvement is surprisingly achieved by shock heating with pressureless oiling and heavy oil circuit guidance in accordance with the invention combines with swamp phase reaction and selectively product-oriented residence time control. It was found that this can significantly increase the product yield, the oxygen and sulfur content drops significantly and the energy balance increases accordingly.
Diese Anwendung der Sumpfphasenreaktion in Kombination mit selektiv produktorientierter Verweilzeitsteuerung ist gerade in der erfindungsgemäßen Verbindung mit der notwendigen Schockerwärmung der Rohstoffe im autokatalytischen Kreislauf keinesfalls nahe liegend, da unter üblichen technischen Kriterien davon ausgegangen werden muss, dass eine solche Verbindung gar nicht möglich ist. Selektiv Produktorientierte Verweilzeitsteuerung bedeutet nämlich, dass Crackprodukte sofort und gezielt aus der Reaktionszone entfernt werden, wenn deren Moleküle gerade die ge- wünschte Kettenlänge erreicht haben. Zu lange Molekülketten entstehen bei zu früher Entnahme aus dem Reaktor, also bei zu kurzer Verweilzeit, wobei ein zähflüssiges Schweröl erzeugt wird. Zu späte Entnahme aus dem Reaktor, also bei zu langer Verweilzeit führen zur Entstehung zu kurzer bzw. kleiner Moleküle, vornehmlich im Gasbereich, und außerdem könnten unerwünschten Neben- bzw. Vernetzungsreaktionen mit der Folge erhöhter Teer- und Koksproduktion ablaufen.This application of the sump phase reaction in combination with selectively product-oriented residence time control is by no means obvious, especially in the compound according to the invention with the necessary shock heating of the raw materials in the autocatalytic cycle, since under normal technical criteria it must be assumed that such a compound is not possible at all. Selective product-oriented residence time control means that cracking products are immediately and specifically removed from the reaction zone when their molecules have just reached the desired chain length. Too long chains of molecules are formed if they are taken out of the reactor too early, ie if the residence time is too short, producing a viscous heavy oil. Too late removal from the reactor, ie too long a residence time lead to the formation of short or small molecules, especially in the gas sector, and also could run off unwanted side or cross-linking reactions, resulting in increased tar and coke production.
Die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung der dargelegten unerwünschten Produktbildung ist die Einstellung der mittleren Strömungs- verweilzeit des flüssigen Reaktionsmediums über Reaktorvolumen undThe known from the prior art solution of the stated undesirable product formation is the adjustment of the average flow residence time of the liquid reaction medium over reactor volume and
Volumenstrom und die Anpassung der Strömungsverweilzeit an den jeweiligen Rohstoff. Diese nahe liegende und technisch übliche Maßnahme zur Verweilzeitsteuerung genügt den Anforderungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht, weil der im Kreislauf geführte schwerflüchtige Produktstrom andere Verweilzeiten benötigt als die Rohstoffe, die in der Regel bereits vielen unterschiedlichen chemischen Komponenten bestehen, de- ren Umsetzung verschiedene Verweilzeiten erfordert, und weil überdies sowohl die Schockerwärmung als auch die Entfaltung der autokatalyti- schen Wirkung des Kreislaufstromes eine intensive Vermischung der Stoffe im Reaktionsraum erfordern. In den konventionellen Verfahren steht jedoch eine intensive Vermischung im Widerspruch zu einer gezielten Verweilzeitsteuerung, weil dadurch extrem breite Verweilzeitverteilungen im Gemisch erzeugt werden, welche es nicht erlaubt, einer bestimmten Komponente eine individuelle Verweilzeit zukommen zu lassen.Volumetric flow and the adaptation of the flow residence time to the respective raw material. This obvious and technically usual measure for Residence time control does not meet the requirements of the process according to the invention because the circulating low-volatility product stream requires different residence times than the raw materials, which usually already consist of many different chemical components whose implementation requires different residence times, and because both the shock heating and the unfolding of the autocatalytic action of the circulation stream requires intensive mixing of the substances in the reaction space. In the conventional methods, however, intensive mixing contradicts targeted residence time control because it produces extremely broad residence time distributions in the mixture, which does not allow a particular component to have an individual residence time.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung wird der As- pekt der selektiven produktorientierten Verweilzeitsteuerung dadurch gelöst, dass entweder zumindest der erste oder der zweite Reaktor mit einer integrierten Phasentrennung bzw. Phasentrenneinrichtung ausgestattet ist und über neuartigen Destillations- oder Strippeigenschaften bzw. Kombinationen daraus verfügt. Wenn die Phasentrenneinrichtung mit dem ersten Reaktor verbunden ist oder durch einfache Handhabung des Reaktors darin abläuft, so arbeitet der zweite Reaktor nach der ersten Phasentrennung bzw. der ersten Phasentrennungsstufe mit anschließender Nachverölung.In the method and device according to the invention, the aspect of the selective product-oriented residence time control is achieved by either at least the first or the second reactor being equipped with an integrated phase separation or phase separation device and having novel distillation or stripping properties or combinations thereof. When the phase separator is connected to the first reactor or drains through simple handling of the reactor, the second reactor operates after the first phase separation or phase separation stage followed by re-oiling.
Der erste Reaktor erhält die erfindungsgemäße Destillationsfunktion, wenn er gleichzeitig als Verdampfer bei Siedetemperatur des Reaktionsgemisches betrieben wird. Hierbei werden flüchtige bzw. verdampfbare Komponenten aus dem flüssigen Reaktionsgemisch entfernt, indem sie in die Dampfphase übergehen. Eine erfindungsgemäße Strippfunktion wird erreicht, wenn ein Trägergasstrom durch das flüssige Reaktionsgemisch geleitet wird, der flüchtige Komponenten aus dem Reaktionsgemisch selektiv aufnimmt. Beide Maßnahmen lassen sich kombinieren, wenn der Reaktor bei Siedetemperatur arbeitet, während gleichzeitig ein Trägergasstrom durch das flüssige Reaktionsgemisch geleitet wird.The first reactor obtains the distillation function according to the invention when it is simultaneously operated as an evaporator at the boiling point of the reaction mixture. This volatile or vaporizable components are removed from the liquid reaction mixture by going into the vapor phase. A stripping function according to the invention is achieved when a carrier gas stream is passed through the liquid reaction mixture which selectively absorbs volatile components from the reaction mixture. Both measures can be combined if the Reactor operates at boiling temperature, while a carrier gas stream is passed through the liquid reaction mixture.
Solche Zusatzfunktionen sind für Reaktoren gerade bei Prozessen, die im Überdruckbereich arbeiten, technisch nicht nahe liegend, weil die Trennwirkungen solcher Funktionen üblicherweise mit steigendem Druck abnehmen. Erschwerend kommt hinzu, dass eine zusätzliche Destillationsfunktion nur dann funktionieren kann, wenn die gewünschte Reaktionstemperatur mit der Gemischsiedetemperatur übereinstimmt. Die Siede- temperatur ihrerseits wird aber bekanntermaßen durch den Betriebsdruck bestimmt, der hier durch die ggf. nötige hydrierende Wirkung der Gasatmosphäre im Reaktor in engen Grenzen vorgegeben wird. Die Siedepunktserhöhung bei Kohlenwasserstoffen beispielsweise liegt im Bereich der Heizöl- oder Dieselfraktion bei etwa 200 0C, wenn man den Druck von 1 bar auf 20 bar erhöht, bzw. bei etwa 300 0C bei Druckerhöhung von 1 bar auf 50 bar. In beiden Fällen würde der günstige Temperaturbereich von maximal etwa 500 0C mit hoher Wahrscheinlichkeit überschritten werden. Bei vielen bekannten Kohlenwasserstoffen sind sogar schon bei Drücken oberhalb von etwa 20 bar Siedezustände nicht mehr möglich wenn der jeweilige Kohlenwasserstoff bzw. das Kohlenwasserstoffgemisch thermodynamisch bereits überkritisch geworden ist.Such additional functions are technically not obvious for reactors, especially in processes that work in the overpressure range, because the separation effects of such functions usually decrease with increasing pressure. To make matters worse, that an additional distillation function can only work if the desired reaction temperature matches the mixture boiling temperature. The boiling temperature, however, is known to be determined by the operating pressure, which is specified by the possibly necessary hydrogenating effect of the gas atmosphere in the reactor within narrow limits. The boiling point increase in hydrocarbons, for example, is in the range of fuel oil or diesel fraction at about 200 0 C, if the pressure is increased from 1 bar to 20 bar, or at about 300 0 C with pressure increase from 1 bar to 50 bar. In both cases, the favorable temperature range of a maximum of about 500 ° C. would be exceeded with a high probability. In many known hydrocarbons even at pressures above about 20 bar boiling conditions are no longer possible if the respective hydrocarbon or the hydrocarbon mixture has already become thermodynamically supercritical.
Obwohl diese physikalisch-chemischen Gegebenheiten bestehen, lassen sich die Destillier- und die Strippfunktion im erfindungsgemäßen Verfah- rensführung verfahrensverbessernd einsetzen. Sie hängen in besonderem Maße von dem zum Teil ungewöhnlichen thermodynamischen Phasengleichgewichtsverhalten der Stoffsysteme bei erhöhten Drücken und Temperaturen ab.Although these physico-chemical conditions exist, the distillation and stripping function can be used to improve the process in the process of the invention. They depend in particular on the sometimes unusual thermodynamic phase equilibrium behavior of the material systems at elevated pressures and temperatures.
Gegenstand des Patentanspruchs 35 ist eine Vorrichtung (oder: ein Reaktor) zur thermochemischen Umwandlung von Edukten (oder: Ausgangsstoffen, Rohstoffen), die höhermolekulare organischen Komponenten um- fassen, in niedermolekulare Produkte, die organische bei Raumtemperatur flüssige, brennbare Produkte, insbesondere organische Kraftstoffe, umfassen. Diese Vorrichtung ist besonders als ein Reaktor für das Verfahren gemäß der Erfindung geeignet und insbesondere zur Verölung oder zur Verflüssigung von Biomasse wie Holz oder zur Herstellung von Biodiesel geeignet und/oder wird bevorzugt unter Druck betrieben, kann jedoch auch drucklos betrieben werden. Diese Vorrichtung gemäß der Erfindung umfasst wenigstens einen Reaktionsraum (Reaktionskammer, Reaktorinnenraum) zum Durchführen einer zumindest partiellen Zersetzungs- oder Crackreaktion wenigstens eines Edukts, wenigstens einen Einlass zum Einbringen oder Einleiten des oder der Edukte(s) in den Reaktionsraum und wenigstens einen Auslass zum Ausbringen oder Ausleiten der niedermolekularen Produkte aus dem Reaktionsraum.The subject of claim 35 is a device (or: a reactor) for the thermochemical conversion of educts (or: raw materials, raw materials), the higher molecular weight organic components um- in low molecular weight products comprising organic liquid at room temperature flammable products, in particular organic fuels. This device is particularly suitable as a reactor for the process according to the invention and in particular for the Verölung or liquefaction of biomass such as wood or for the production of biodiesel suitable and / or is preferably operated under pressure, but can also be operated without pressure. This device according to the invention comprises at least one reaction space (reaction chamber, reactor interior) for carrying out an at least partial decomposition or cracking reaction of at least one educt, at least one inlet for introducing or introducing the educt (s) into the reaction space and at least one outlet for discharging or discharging the low molecular weight products from the reaction space.
Es ist nun in einer ersten Variante wenigstens eine innerhalb des Reaktionsraumes angeordnete Zerkleinerungsvorrichtung (oder: Trennvorrichtung, Zerschneid- oder Zerspanvorrichtung ) zum mechanischen Zerkleinern (oder: Trennen oder Zerschneiden oder Zerspanen) des oder der Edukte(s) oder Rohstoffe(s) vorgesehen. Dadurch kann auch ein infolge hoher Förderdrücke, die gegen einen entsprechend hohen Prozessdruck im Reaktionsraum notwendig sind, schon vor dem Eintritt in den Reaktor zusammengepresster oder zusammengebackener Rohstoff effizient für die Reaktion aufbereitet werden.It is now provided in a first variant at least one arranged within the reaction chamber crushing device (or: separation device, cutting or Zerspanvorrichtung) for mechanically comminuting (or: separating or cutting or machining) of the educts (s) or raw materials (s). As a result, a raw material that has been compressed or caked together before entry into the reactor can also be processed efficiently for the reaction as a result of high delivery pressures, which are necessary for a correspondingly high process pressure in the reaction space.
In einer alternativ zu oder in Kombination mit der ersten Variante vorsehbaren zweiten Variante ist innerhalb des Reaktionsraumes wenigstens eine Misch- und/oder Schereinrichtung, die vorzugsweise einen oder mehrere Misch- und/oder Scherflügel aufweist, zum Mischen und/oder Homogenisieren des oder der Edukte(s) und/oder eines Reaktions- und/oder Phasengemischs im Reaktionsraum vorgesehen. In einer alternativ zu oder in Kombination mit der ersten und/oder zweiten Variante vorsehbaren dritten Variante ist wenigstens eine, vorzugsweise rotierbare oder rotierende Schabelemente aufweisende, Schabeinrichtung zum Abschaben oder Reinigen von Oberflächen einer Wandung des Reaktionsraumes vorgesehen.In a variant alternative to or in combination with the first variant conceivable second variant within the reaction space at least one mixing and / or shearing device, which preferably has one or more mixing and / or shear blades, for mixing and / or homogenizing the educts or (S) and / or a reaction and / or phase mixture provided in the reaction space. In a variant alternative to or in combination with the first and / or second variant providable third variant at least one, preferably rotatable or rotating scraping elements having scraper for scrapping or cleaning surfaces of a wall of the reaction space is provided.
Die Zerkleinerungseinrichtung, Misch- und/oder Schereinrichtung und/oder Schabeinrichtung können als rotierende Elemente auf einer gemeinsamen oder auch verschiedenen, wenigstens teilweise durch den Re- aktionsraum verlaufenden Drehwellen angeordnet sein. Die Misch- und/oder Schereinrichtung können zumindest teilweise gemeinsame Elemente aufweisen oder als Baueinheit ausgebildet sein.The comminuting device, mixing and / or shearing device and / or scraper device can be arranged as rotating elements on a common or also different, at least partially extending through the reaction space rotating shafts. The mixing and / or shearing device can at least partially have common elements or be designed as a structural unit.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen wei- ter erläutert. Dabei wird auch auf die Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung:The invention will be explained below with reference to embodiments further ter. Reference is also made to the drawings. Each shows in a schematic representation:
FIG 1 ein Blockflussdiagramm eines Aufführungsbeispiels des Verfahrens gemäß der Erfindung,1 shows a block flow diagram of a performance example of the method according to the invention,
FIG 2 ein Ausführungsbeispiel eines horizontalen Reaktors in einer ver- einfachten Darstellung ohne die mechanischen Komponenten innerhalb des Reaktorraumes,2 shows an embodiment of a horizontal reactor in a simplified representation without the mechanical components within the reactor space,
FIG 3 ein Ausführungsbeispiel eines horizontalen Reaktors mit dargestellten mechanischen Förder- und Zerkleinerungseinrichtungen im Reaktorraum, FIG 4 einen teilweisen Schnitt durch den Reaktor gemäß FIG 3 mit sichtbarere Zerkleinerungseinrichtung,, FIG 5 einen teilweisen Schnitt durch den Reaktor gemäß FIG 3 mit sichtbarere Mischeinrichtung,3 shows an embodiment of a horizontal reactor with illustrated mechanical conveying and comminution devices in the reactor chamber, FIG. 4 shows a partial section through the reactor according to FIG. 3 with more visible comminution device, FIG. 5 shows a partial section through the reactor according to FIG. 3 with more visible mixing device,
FIG 6 ein Ausführungsbeispiel eines vertikalen Reaktors und FIG 7 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Einander entsprechende Teile und Größen sind in den FIG 1 bis 7 mit denselben Bezugszeichen versehen.6 shows an exemplary embodiment of a vertical reactor, and FIG. 7 shows a schematic circuit diagram of a device according to the invention. Corresponding parts and sizes are provided in the Figures 1 to 7 with the same reference numerals.
Das Blockfließbild in FIG 1 , das den erfindungsgemäßen Verfahrensab- lauf für ein Ausführungsbeispiel zeigt, stellt zunächst dar, dass für feste Rohstoffe, die organische Anteile O, anorganische Anteile A sowie Metallanteile M enthalten, ein Schritt der Zerkleinerung erfolgt.The block flow diagram in FIG. 1, which shows the method sequence according to the invention for one exemplary embodiment, first of all shows that a step of comminution takes place for solid raw materials which contain organic fractions O, inorganic fractions A and metal fractions M.
Störende Metalle werden in einem nächsten Schritt der Metallabtrennung abgetrennt; sie werden als Metallanteile des Rohstoffes M gesammelt.Disturbing metals are separated in a next metal separation step; they are collected as metal shares of the raw material M.
Sollten andere störende Fremdstoffen vorliegen, müssten auch diese entfernt werden. Vorliegend sind die Rohstoffe feuchtigkeitshaltig, daher erfolgt ein Schritt der Vorentwässerung, wobei das abgeführte Wasser W ebenfalls gesammelt wird. Lediglich unter geringem Energieaufwand me- chanisch entfernbare Wasseranteile und reine Metallfraktionen, wie sie beispielsweise bei Elektrokabel- und Autoreifenabfällen anfallen, sind vorher abzutrennen.If other interfering foreign substances are present, they should also be removed. In the present case, the raw materials are moisture-containing, therefore, a step of pre-dewatering, wherein the discharged water W is also collected. Only with low energy expenditure mechanically removable water fractions and pure metal fractions, such as those incurred for example in electrical cable and car tire waste, must be separated beforehand.
Diese vorbeschriebenen Schritte der Zerkleinerung, Trocknung und Fremdstoffabtrennung unterfallen dem Überbegriff der Rohstoffaufbereitung, der hier einen vorteilhaft geringen Aufwand erfordert, da der Hauptanteil der Edukte in seinem ursprüngliche Zustand verwendet werden kann. Die Zerkleinerung ist nur so weit durchzuführen, dass der Rohstoff in einen ersten Reaktor I, der eine Überdruckapparatur sein kann, gefördert werden kann und dass für die organischen Anteile ausreichend schnelle Aufheizzeiten bei der Schockerwärmung möglich sind. Mineralstoffe, wie sie z. B. in Knochenmehl enthalten sind, können am Umwand- lungsprozess teilnehmen und sind zum Teil sogar als Crackkatalysatoren erwünscht. Feste Rohstoffe können beispielsweise über Schneckenma- schinen in den Reaktor I gefördert werden. Soll dabei im Falle hoher freier Wassergehalte ein Großteil des Wassers W vor der Erwärmung mechanisch entfernt werden, so können solche Schneckenmaschinen dann eine Doppelfunktion erfüllen, wenn sie als Seiherschneckenpressen ausgerüstet sind. In einem solchen Falle dienen sie sowohl der Förderung des Rohstoffes als auch der Auspressung des Wassers W.These above-described steps of comminution, drying and foreign matter separation are subject to the general term of raw material preparation, which here requires an advantageously low expenditure, since the main part of the educts can be used in its original state. The comminution is only to be carried out so far that the raw material in a first reactor I, which may be an overpressure apparatus, can be promoted and that for the organic components sufficiently fast heating times in the shock heating are possible. Minerals, such as. B. contained in bone meal, can participate in the conversion process and are sometimes even desirable as cracking catalysts. Solid raw materials can be conveyed to the reactor I, for example via screw machines. If, in the case of high free water contents, a large part of the water W is to be removed mechanically before heating, then such screw machines can then be used Double function when equipped as a screen screw presses. In such a case, they serve both the promotion of the raw material and the squeezing of the water W.
Die Zufuhr von eventuell benötigten festen Katalysatoren und Chemikalien ist im Schema der FIG 1 nicht dargestellt, diese werden vorzugsweise pulverförmig beispielsweise über Schneckenförderer oder Schleusensysteme direkt in den ersten Reaktor RI, zugegeben. Als Crackkatalysatoren sind beispielsweise Feststoffkatalysatoren auf Zeolithbasis geeignet, wo- hingegen beim nachfolgend dargelegten Schritt der Hydrierung, z. B. bei schwefelfreien Rohstoffen metallische Katalysatoren wie Nickel und Platin als Unterstützung in Frage kommen. Im Falle des Einsatzes halogen- haltiger Rohstoffe wie z. B. chlorhaltiger Altöle oder PVC-Abfälle, können alkalische Feststoffchemikalien wie beispielsweise Calciumhydroxid zugegeben werden, die das Chlor noch vor Einsetzen der Crackreaktionen als Salz binden und somit aus der Reaktionszone entfernen. Hierin liegt ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Crackverfahrens in der Sumpfphase gegenüber konventionellen Crackprozessen in der Dampfphase, bei denen diese Möglichkeit nicht besteht.The supply of any required solid catalysts and chemicals is not shown in the diagram of FIG 1, these are preferably added in powder form, for example via screw conveyors or lock systems directly into the first reactor RI. As cracking catalysts, for example, zeolite-based solid catalysts are suitable, whereas, in contrast, in the hydrogenation step described below, e.g. B. in sulfur-free raw materials metallic catalysts such as nickel and platinum come as support in question. In the case of the use of halogen-containing raw materials such. As chlorine-containing waste oils or PVC waste, alkaline solid chemicals such as calcium hydroxide can be added, which bind the chlorine before the onset of cracking reactions as a salt and thus remove from the reaction zone. This is an important advantage of the cracking process according to the invention in the sump phase over conventional cracking processes in the vapor phase, in which this possibility does not exist.
Zur Voraufarbeitung können Feststoffe beispielsweise zerkleinert und über Dosierer auf ein Trocknungsband einem Trocknungstunnel zugeführt und dort durch kontinuierliche Warmluftzufuhr getrocknet werden. Die Feuchtemessung erfolgt automatisch und regelt den Trocknungsvorgang. Das voraufbereitete Material wird in Silos vorgelagert. Von dort kann das voraufbereitete Material über Zellradschleusen zu einer Doppelextruderschneckenpresse transportiert werden, um fein vermählen und verdichtet zu werden. Es entstehen Druck und Wärme, dem Material wird bei Bedarf Katalysatormaterial zugemischt, und es kann dass in den Reaktor RI eingebracht. Die Doppelextruderschneckenpresse wirkt dem Reaktordruck entgegen und schließt somit einen Rückschlag aus. Die Beaufschlagung von Reaktor RI mit flüssigen Rohstoffen wie Schwerölen und deren Suspensionen, wenn mineralische Katalysatoren zugesetzt werden sollen, kann hingegen beispielsweise über Pumpensysteme geschehen.For example, for pre-processing solids can be crushed and fed via dosing on a drying belt a drying tunnel and dried there by continuous supply of hot air. Moisture measurement is automatic and controls the drying process. The pre-treated material is stored upstream in silos. From there, the pre-treated material can be transported via rotary valves to a twin extruder screw press to be finely ground and compacted. It creates pressure and heat, the material is mixed with catalyst material if necessary, and it can be introduced into the reactor RI. The twin extruder screw press counteracts the reactor pressure and thus excludes a setback. The loading of reactor RI with liquid raw materials such as heavy oils and their suspensions, when mineral catalysts are to be added, however, can be done, for example, via pump systems.
Ehe der Reaktor RI nun mit den vorgenannte festen Rohstoffen und/oder flüssigen Rohstoffen, respektive Edukten, sowie mit weiteren Chemikalien oder Reaktanden beaufschlagt wird, erfolgt ein Schritt der Vorwärmung der Edukte und Chemikalien, um dadurch die Aufheizzeit vor der Crack- reaktion zu minimieren. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, das Verfahren in anderen Ausführungsbeispielen ohne die Vorwärmung durchzuführen.Before the reactor RI is now charged with the abovementioned solid raw materials and / or liquid raw materials, respectively educts, as well as with other chemicals or reactants, a step of preheating the reactants and chemicals, thereby minimizing the heating time before the cracking reaction. In principle, however, it is also conceivable to carry out the method in other embodiments without the preheating.
Im Wesentlichen kann die Vorwärmung der Verbesserung der Energiebi- lanz durch Wärmerückgewinnung aus den Prozessströmen dienen. Die Wärmeenergiebereitstellung kann aber auch durch die Abgase des Gasbrenners geleistet werden. Vorgewärmt werden der Rohstoffstrom und gegebenenfalls zuzuführende Feststoffkatalysatoren und Chemikalien. Die Endtemperatur der Vorwärmung sollte vorzugsweise knapp unterhalb der- jenigen Temperatur liegen, bei dem die Crackreaktionen beginnen. Je nach Rohstoff kann dieser Bereich in der Größenordnung zwischen 200 °C und 330 °C liegen: So sind Hemicellulosen, die beispielsweise in Holz vorkommen, sehr temperaturempfindlich und liegen im unteren Bereich bezüglich der benötigten Cracktemperatur, während Cellulose und in noch stärkerem Maße stabile Kohlenwasserstoffe dem oberen Bereich zuzuordnen sind.In essence, the preheating can serve to improve the energy balance through heat recovery from the process streams. The heat energy supply can also be done by the exhaust gases of the gas burner. The raw material stream and optionally supplied solid catalysts and chemicals are preheated. The final temperature of the preheating should preferably be just below the temperature at which the cracking reactions begin. Depending on the raw material, this range may be on the order of 200 ° C to 330 ° C. For example, hemicelluloses found in wood, for example, are very sensitive to temperature and are in the lower part of the required cracking temperature, cellulose and, to a greater extent, stable hydrocarbons are assigned to the upper area.
Die zur Vorwärmung erforderliche Wärme sowie der Wärmeenergiebedarf nachfolgender Prozessschritte, dazu gehören insbesondere die Beheizung des Reaktors RI, des Verdampfers der Destillationskolonne, des Trockner für ausgeschleuste Mineralstoffanteile sowie der Wasserdampfvergasung ausgeschleuste organischen Rückstandes, kann beispielsweise über die Abgase eines Gasbrenners gedeckt werden. Der Gasbrenner wird vorzugsweise energieautark vollständig über das im Prozess als Nebenprodukt entstehendes Reaktionsgas G versorgt. Dadurch wird lediglich zum Anfahren der Anlage Fremdenergie benötigt.The heat required for the preheating and the heat energy requirement of subsequent process steps, these include, in particular, the heating of the reactor RI, the evaporator of the distillation column, the dryer for discharged mineral components and the water vapor gasification discharged organic residue can, for example on the Exhaust gases of a gas burner are covered. The gas burner is preferably supplied with complete energy independence via the reaction gas G which is produced as a by-product in the process. As a result, foreign energy is needed only to start the system.
Nun wird der vorgewärmte Stoffstrom der beheizten Sumpfphase im Crackreaktor RI zugeführt. Dort findet eine intensive Vermischung statt, und dort kann auch die Schockerhitzung auf Crackreaktionstemperatur erfindungsgemäß durchgeführt werden. Schnelle Erwärmung und Reaktion finden vorzugsweise in einem Reaktionsgefäß bzw. Reaktor RI, RII statt. Die vorgenannte Schockerhitzung ist vorteilhaft für die Durchführung des Verfahrens im Vergleich zum Einsatz konventioneller Erwärmungsmethoden, wie sie z. B. eine Vorschaltung separater Wärmetauscherstrecken o- der das Einbringen der Reaktanden in eine auf Reaktionstemperatur vor- geheizte Gas-Dampf-Phase darstellt.Now, the preheated stream of heated sump phase in the cracking reactor RI is supplied. There intensive mixing takes place, and there also the shock heating can be carried out at cracking reaction temperature according to the invention. Rapid heating and reaction preferably take place in a reaction vessel or reactor RI, RII. The abovementioned shock-heating is advantageous for carrying out the method compared to the use of conventional heating methods, as they are for. B. a pre-circuit of separate heat exchanger sections o- represents the introduction of the reactants in a preheated to reaction temperature gas-vapor phase.
Zur optimalen Umsetzung der Edukte in die Produkte bzw. Zwischenprodukte ist eine gute Durchmischung im Reaktor RI3RII erforderlich. Diese kann sowohl durch Rührsysteme als auch durch turbulente Strömungszu- stände der eingebrachten Stoffströme erreicht werden. Die Scherkräfte an den beheizten Reaktorwänden müssen dabei so groß sein, dass sich dort keine Ablagerungen aufgrund von Verteerung oder Verkokung bilden.For optimum conversion of the starting materials into the products or intermediates, good mixing in the reactor RI 3 RII is required. This can be achieved both by stirring systems and by turbulent flow states of the introduced material streams. The shear forces on the heated reactor walls must be so great that no deposits form there due to esterification or coking.
In dem Reaktor RI laufen die Verfahrensschritte Cracken und Hydrieren ab, nachdem die erforderlichen Temperaturen und Drücke eingestellt sind. Die Temperaturen werden vorzugsweise zwischen 290 0C und 410 0C eingestellt, die Drücke richten sich nach dem thermodynamischen Phasengleichgewichtsverhalten, das dem Fachmann bekannt ist, und den ebenfalls bekannten ggf. notwendigen Partialdrücken an reduzierenden bzw. hydrierenden Gaskomponenten im Reaktionsgemisch. Dem Reaktor RI ist eine Expansionsanlage nachgeschaltet, mit der einerseits der hohe Druck des Reaktors RI abgebaut und andrerseits die Energie über eine Turbine in Strom umgewandelt wird.In the reactor RI, the cracking and hydrogenation steps take place after the required temperatures and pressures have been set. The temperatures are preferably set between 290 0 C and 410 0 C, the pressures depend on the thermodynamic phase equilibrium behavior, which is known in the art, and also known possibly necessary partial pressures of reducing or hydrogenating gas components in the reaction mixture. The reactor RI is followed by an expansion plant, with the one hand, the high pressure of the reactor RI degraded and on the other hand, the energy is converted via a turbine into electricity.
Nachdem die Reaktion, umfassend die Schritte Cracken und Hydrieren abgelaufen ist, wird im nächsten Verfahrensschritt eine erste Phasentrennungsstufe PI, des im Reaktor RI vorliegenden Dreiphasengemischs durchgeführt.After the reaction comprising the steps of cracking and hydrogenation has elapsed, in the next process step a first phase separation stage PI of the three-phase mixture present in the reactor RI is carried out.
Die Flüssigphase wird im Wesentlichen durch schwerflüchtige Ölfraktio- nen SO gebildet. Hierbei fallen die schwerflüchtigen flüssigen Produktanteile an. Es handelt sich um die so genannten Schwerölfraktionen SO, die an dieser Stelle des Verfahrens zunächst in den Reaktor RI zurückgeführt werde, die also vorteilhaft im Kreislauf geführt werden, weil sie so im Re- aktor RI weiteren Crackreaktionen unterzogen werden können und sich somit die Ausbeute an Produkt erhöht. Sie entfalten gleichzeitig vorteilhaft eine katalytische Wirkung, welche den Einsatz zusätzlicher Katalysatoren erübrigt. Die benötigten Reaktionszeiten für die Crack- und/oder Hydrierreaktionen der Rohstoffe werden durch die Katalyse verkürzt, günstige Reaktionspfade werden unterstützt und die erforderlichen Temperaturen und Drücke zur Reaktionsdurchführung werden somit in dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber den Verfahren aus dem Stand der Technik reduziert.The liquid phase is essentially formed by low volatility Ölfraktio- SO. In this case, the nonvolatile liquid product components are produced. These are the so-called heavy oil fractions SO, which at this stage of the process are first recycled to the reactor RI, which are thus advantageously recycled, because they can thus be subjected to further cracking reactions in the reactor RI and thus the yield increased in product. At the same time they advantageously develop a catalytic effect, which eliminates the need for additional catalysts. The required reaction times for the cracking and / or hydrogenation reactions of the raw materials are shortened by the catalysis, favorable reaction paths are supported and the required temperatures and pressures for carrying out the reaction are thus reduced in the process according to the invention compared with the processes of the prior art.
Diese Schwerölfraktionen SO fallen an bei der mehrstufigen Phasentrennung, umfassend die Phasentrennungsstufen PI, PII und Pill. Nach der Phasentrennungsstufe PI erfolgt eine zweite Phasentrennungsstufe PII und eine Phasentrennungsstufe Pill des Gemischs aus flüssiger Schwerölfraktion SO, einem festen und teerartigen Reaktionsrückstand R, anorga- nischem Anteil des Rohstoffes A, respektive Eduktes, und festem Katalysatoren K. Bei den Phasentrennungsstufen PII und Pill fällt die Schwerölfraktion SO als Flüssigphase an. Weiterhin fällt die Schwerölfraktionen SÖ bei der Trocknung als Dampfphase und schließlich bei der Destillation des organischen Hauptproduktstromes als Sumpffraktion an. Da die Schwerölfraktionen zu den Reaktionsprodukten gehören, wird der obige katalytische vorteilhafte Effekt hierin als autokatalytisch bezeichnen.These heavy oil fractions SO occur in the multistage phase separation comprising the phase separation stages PI, PII and Pill. After the phase separation stage PI, a second phase separation stage PII and a phase separation stage Pill of the mixture of liquid heavy fraction SO, a solid and tarry reaction residue R, inorganic portion of the raw material A, respectively Educts, and solid catalysts K. The phase separation stages PII and Pill falls the heavy oil fraction SO as a liquid phase. Furthermore, the heavy oil fractions fall SO when drying as a vapor phase and finally in the distillation of the main organic product stream as bottom fraction. Since the heavy oil fractions are among the reaction products, the above catalytic benefit effect will be referred to herein as autocatalytic.
Die Festphase des Dreiphasengemischs ist zusammensetzt aus Aschebzw. Mineralstoffanteilen A des Rohstoffes, ggf. zugesetzten Feststoffkatalysatoren K und Chemikalien sowie festen Reaktionsrückständen R. Solche festen Reaktionsrückstände R können z. B. Verkohlungsrückstände sein, die sich zum Teil als Nebenprodukte bilden.The solid phase of the three-phase mixture is composed of Aschebzw. Minerals A shares of the raw material, optionally added solid catalysts K and chemicals and solid reaction residues R. Such solid reaction residues R can, for. B. charring residues, which form in part as by-products.
Bei der Phasentrennungsstufe PI im Anschluss an Reaktor RI wird die Flüssigphase zusammen mit der suspendierten Festphase von der Gas- Dampf-Phase getrennt. Dies kann beispielsweise in Fliehkraftabscheidern wie Zyklonen geschehen. Diese Phasentrennungsstufe PI wird vorzugsweise unter dem gleichen Druck durchgeführt, wie er im ersten Reaktor RI herrscht. Die in Phasentrennungsstufe PI abgetrennte Suspension wird über eine Gasexpansionsanlage entspannt, wenn der Reaktor RI, wie in FIG 1 dargestellt, unter Überdruck betrieben wird, und durchläuft einen dreistufigen Trennprozess über die Phasentrennungsstufe PII, Phasentrennungsstufe Pill und Trocknung zur Separierung und Rückgewinnung der schwerflüchtigen Ölphase, die wie beschrieben, in die Reaktoren RI und RII rückgeführt wird.In the phase separation stage PI following reactor RI, the liquid phase is separated from the gas-vapor phase together with the suspended solid phase. This can happen, for example, in centrifugal separators such as cyclones. This phase separation stage PI is preferably carried out under the same pressure as prevails in the first reactor RI. The separated in phase separation stage PI suspension is expanded by a gas expansion plant when the reactor RI, as shown in FIG 1, operated under pressure and undergoes a three-stage separation process on the phase separation stage PII, phase separation stage Pill and drying to separate and recover the low volatile oil phase, which, as described, is recycled to the reactors RI and RII.
Die Phasentrennungsstufe PII trennt den grobkörnigen Feststoffanteil zusammen mit daran haftenden feinkörnigen Partikeln beispielsweise nach dem Sedimentationsprinzip oder ebenfalls nach dem Fliehkraftprinzip ab. Die verbleibende schwerflüchtige Ölphase SÖ wird zusammen mit dem verbliebenen Feinanteil zurück zum Reaktor RI geleitet.The phase separation stage PII separates the coarse-grained solids content together with fine-grained particles adhering thereto, for example, according to the sedimentation principle or also according to the centrifugal force principle. The remaining low-volatile oil phase SO is led together with the remaining fine fraction back to the reactor RI.
In der Phasentrennungsstufe Pill wird die mit Grobgut angereicherte Suspension mechanisch, z. B. über Schneckenpressen, von weiterer anhaf- tender schwerflüchtiger Ölphase SÖ, die in die zu den Reaktoren RI und RII zurückgeführt wird, befreit.In the phase separation stage Pill the coarse enriched suspension is mechanically, z. B. via screw presses, from further low-volatile oil phase SO, which is returned to the reactors RI and RII, freed.
Der Schritt der Trocknung schließlich befreit den feststoffhaltigen Strom von verdampfbaren Olanteilen. Auch diese können nach einer erneuten Kondensation KII dem internen Rücklauf in die Reaktoren RI, RII rückgeführt werden.Finally, the drying step frees the solids-containing stream of vaporizable oil fractions. These can also be recycled to the internal reflux into the reactors RI, RII after a renewed condensation KII.
Die jetzt noch im Feststoffstrom verbleibende organische Substanz be- steht im Wesentlichen aus festem Verkohlungsrückstand und teerartigen Restanteilen R, gegebenenfalls aus anorganischen Rohstoffanteilen A oder festem Katalysator K und Chemikalien. Die organischen Anteile R können in der nachfolgenden Wasserdampfvergasung WDV in Synthesegas, bestehend aus Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H2, umgewandelt werden. Die somit von organischen Anteilen befreiten mineralischen Feststoffe A, K werden ausgeschleust und gegebenenfalls einer Aufarbeitung oder Regeneration zugeführt.The organic substance still remaining in the solids stream consists essentially of solid char residue and tarry residues R, optionally of inorganic raw material fractions A or solid catalyst K and chemicals. The organic components R can be converted in the subsequent steam gasification WDV in synthesis gas, consisting of carbon monoxide CO and hydrogen H 2 . The thus liberated from organic fractions mineral solids A, K are discharged and optionally fed to a workup or regeneration.
Das Synthesegas CO + H2 kann entweder direkt als reduzierendes Gas den Reaktoren RI, RII zugeführt oder in einer nachgeschalteten Koh- lenmonoxidkonvertierung CO-Konvertierung vollständig in Wasserstoff H2 und Kohlendioxid CO2 umgewandelt werden. In letzterem Falle wird der Wasserstoff H2 in der Gastrennung GII unter Einsatz beispielsweise eines Membrantrennprozesses vom Kohlendioxid CO2 befreit und ggf. den Reaktoren RI, RII als hydrierende Gaskomponente zugeführt. Wenn mehr Wasserstoff H2 produziert als vom Prozess benötigt wird, so kann der Ü- berschuss gewinnbringend vermarktet oder beispielsweise über einen Brennstoffzellenprozess in elektrischen Strom für den Anlagenbetrieb umgewandelt werden.The synthesis gas CO + H 2 can either be fed directly to the reactors RI, RII as reducing gas or converted completely into hydrogen H 2 and carbon dioxide CO 2 in a downstream carbon monoxide conversion CO conversion. In the latter case, the hydrogen H 2 in the gas separation GII is freed from carbon dioxide CO 2 using, for example, a membrane separation process and optionally fed to the reactors RI, RII as the hydrogenating gas component. If more hydrogen produces H 2 than needed by the process, the excess can be profitably marketed or converted, for example via a fuel cell process, into electrical power for plant operation.
Bei der Wasserdampfvergasung und der Kohlenmonoxid-Konvertierung wird das bei den Crackreaktionen sauerstoffhaltiger Rohstoffe als Neben- produkt entstehende Reaktionswasser verwertet, so dass im Wesentlichen ein abwasserfreier Prozess realisiert wird. Eventuell entstehendes Überschusswasser wird durch die Wasserdampfvergasung WDV gleichzeitig gereinigt, so dass eine gegebenenfalls entstehende überschüssige kleine Abwassermenge W gleich rein, das heißt, frei von organischen Anteilen, anfällt. Sollte nicht genügend Reaktionswasser zur Verfügung stehen, ist noch etwas Frischwasser zuzusetzen. Die jeweiligen Mengenverhältnisse sind rohstoffbedingt unterschiedlich und hängen vom Verhältnis des gebildeten Reaktionswassers zum festen bzw. schwerflüchtigen Reaktions- rückstand ab.In the case of steam gasification and carbon monoxide conversion, the raw materials used in the cracking reactions of oxygen-containing raw materials are used as secondary product reaction water used, so that essentially a wastewater-free process is realized. Any resulting excess water is purified by the steam gasification WDV simultaneously, so that any resulting excess small wastewater quantity W is equal to pure, that is, free of organic components, is obtained. If not enough water of reaction is available, add some fresh water. The respective proportions are different due to the raw material and depend on the ratio of the reaction water formed to the solid or low-volatility reaction residue.
Zurück zum Schritt der ersten Phasentrennungsstufe PI des Reaktionsge- mischs aus dem Reaktor RI: Als weitere Reaktionsprodukte entsteht in Reaktor RI die Zielfraktion, welche das Produkt des Verfahrens enthält: ein Öl als Öldampf Ö1D, welches ein niedermolekularer flüssiger Brennstoff ist. Des Weiteren entstehen Reaktionswasser als Wasserdampf WD und Reaktionsgas G sowie Wasserstoff H2. Diese Komponenten sind in der dritten Phase, der Gas-Dampf-Phase des Dreiphasengemischs vereinigt. Zur Produktraffinierung wird diese Phase oder Fraktion, respektive, nun in einen zweiten Reaktor RII, überführt, und erneut den Verfahrensschritten Cracken und Hydrieren unterzogen.Back to the step of the first phase separation stage PI of the reaction mixture from the reactor RI: As further reaction products in the reactor RI, the target fraction containing the product of the process: an oil as oil vapor Ö1D, which is a low molecular weight liquid fuel. Furthermore, water of reaction is formed as water vapor WD and reaction gas G and hydrogen H 2 . These components are combined in the third phase, the gas-vapor phase of the three-phase mixture. For product refining this phase or fraction, respectively, is now transferred to a second reactor RII, and again subjected to the steps of cracking and hydrogenation.
Die Gas-Dampf-Phase des Dreiphasengemischs wird im Falle erhöhter Gasanteile nach dem Reaktor RII der Kondensation im ersten Kondensa- tionsschritt KI zugeführt. Dieser durch Kühlung realisierte Kondensationsschritt KI dient der Abtrennung der Gasanteile Reaktionsgas G und Wasserstoff H2 von den kondensierbaren Öl- und Wasseranteilen Ö1D + W, bevor letztere der destillativen Auftrennung zugeführt werden. Der Kondensationsschritt KI wird vorzugsweise bei dem gleichen Druck be- trieben wie der Reaktor RII. Das hat bei Überdruckbetrieb die Vorteile, dass für die ggf. nachfolgende Gastrennung GI der erforderliche Vordruck zur Verfügung steht, dass für die ggf. nachfolgende Wasserstoff- rückführung in den Reaktor RII weniger Kompressionsenergie verbraucht wird und dass in nachfolgenden Entspannungsventilen das unerwünschte Auftreten von Mehrphasenströmungen, die dort zu erheblichen Betriebsstörungen führen könnten, vermieden wird.The gas-vapor phase of the three-phase mixture is supplied in the case of elevated gas fractions after the reactor RII the condensation in the first condensation KI. This condensation step KI realized by cooling is used to separate the gas fractions reaction gas G and hydrogen H 2 from the condensable oil and water fractions Ö1D + W, before the latter are fed to the distillative separation. The condensation step KI is preferably operated at the same pressure as the reactor RII. In the case of overpressure operation, this has the advantages that the required admission pressure is available for the optionally subsequent gas separation GI, that for the optionally following hydrogen recycled in the reactor RII less compression energy is used and that in subsequent expansion valves, the undesirable occurrence of multiphase flows, which could lead there to significant malfunction, is avoided.
Die Gastrennung GI kann wie die Gastrennung GII beispielsweise als Membrantrennprozess realisiert werden. Der vom Reaktionsgas G ggf. abgetrennte Wasserstoffanteil H2 wird zurück zum Reaktor RI, RII geführt. Das abgetrennte Reaktionsgas G wird im Falle eines Überdruckpro- zesses durch eine zweite Gasexpansionsanlage, die nicht in FIG 1 illustriert ist, entspannt und anschließend dem Brenner zur oben beschriebenen thermischen Energieversorgung des gesamten Verfahrens zugeführt werden.The gas separation GI can be realized as the gas separation GII, for example as a membrane separation process. The optionally separated from the reaction gas G hydrogen content H 2 is fed back to the reactor RI, RII. In the case of an overpressure process, the separated reaction gas G is expanded by a second gas expansion plant, which is not illustrated in FIG. 1, and subsequently supplied to the burner for the above-described thermal energy supply of the entire process.
Die oben beschriebenen Phasentrennungen bzw. Phasentrenneinrichtun- gen können den Verfahrensschritt des Strippens mit Gas umfassen. Daher kann noch vor der Entspannung in der genannten Expansionsvorrichtung ein Teil des Reaktionsgases G, wenn es die oben beschriebene Strippfunktion des Reaktors RI, RII erfordert, zum Reaktor RI, RII zurückgeführt werden.The phase separations or phase separators described above may comprise the step of stripping with gas. Therefore, prior to expansion in said expansion device, part of the reaction gas G, if required by the above-described stripping function of the reactor RI, RII, can be recycled to the reactor RI, RII.
Die Expansionsanlage könnte in anderen Ausführungsbeispielen überdies mit einer Turbine zur Gewinnung elektrischer Energie verbunden sein,The expansion plant could also be connected in other embodiments with a turbine for generating electrical energy,
Wird daher erfindungsgemäß in Reaktor RI und Reaktor RII ein Gasstrom G + H2 zum Strippen benötigt, so wird dieser zunächst in Reaktor RI, sodann auch in Reaktor RII, wenn beide Reaktoren simultan betrieben werden, fein verteilt durch die flüssige Reaktionsmischung geleitet. Der Gasstrom G + H2 kann generell die besagte Strippfunktion zur Phasen- trennung, wie sie oben dargelegt wurde, und/oder Hydrierfunktion übernehmen. Für die Strippfunktion wird vorzugsweise ein Anteil des Reaktionsgases in der Rückführung verwendet, während das Hydrieren Vorzugs- weise durch Wasserstoff H2 erfolgt. Es können dafür aber beispielsweise auch Kohlenmonoxid oder Gemische aus Wasserstoff H2 und Kohlenmo- noxid CO eingesetzt werden. Ggf. benötigter Wasserstoff kann vollkommen autark aus den Nebenprodukten des Prozesses erzeugt werden. Das heißt, dass vorteilhaft kein Wasserstoff H2 von außen zugekauft werden muss. Diese Tatsache ist für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens von besonderer Bedeutung.Therefore, if according to the invention in the reactor RI and reactor RII a gas stream G + H 2 needed for stripping, this is first in reactor RI, then in reactor RII, when both reactors are operated simultaneously, passed finely divided through the liquid reaction mixture. The gas stream G + H 2 can generally assume the said phase separation phase separation function as set forth above and / or the hydrogenation function. For the stripping function, a proportion of the reaction gas in the recirculation is preferably used, while the hydrogenation is preferred. example, by hydrogen H 2 occurs. However, it is also possible for example to use carbon monoxide or mixtures of hydrogen H 2 and carbon monoxide CO. Possibly. required hydrogen can be generated completely self-sufficient from the by-products of the process. This means that advantageously no hydrogen H 2 must be purchased from the outside. This fact is of particular importance for the economy of the process.
Die Produktion von Wasserstoff H2 kann zweistufig über eine Wasser- dampfvergasung WDV der festen koksartige und schwerflüchtige teerartigen Reaktionsrückstände R in der ersten Stufe und einer nachgeschalteten Kohlenmonoxid-Konvertierung in der zweiten Stufe erfolgen. Der Wasserstoff H2 dient einerseits der Stabilisierung der Crackprodukte durch Radikalabsättigung und andererseits der Erhöhung des Wasserstoffanteils im Produktöl. Dadurch werden Heizwert, Brenneigenschaften und Lagerstabilität des Produktöles verbessert.The production of hydrogen H 2 can take place in two stages via a water vapor gasification WDV of the solid coke-like and low-volatility tar-like reaction residues R in the first stage and a downstream carbon monoxide conversion in the second stage. The hydrogen H 2 serves on the one hand to stabilize the cracking products by radical saturation and on the other hand to increase the hydrogen content in the product oil. This improves the calorific value, burning properties and storage stability of the product oil.
Damit der Wasserstoff H2 seine hydrierende Wirkung entfaltet, ist ein erhöhter Betriebsdruck notwendig. Der nötige Überdruck ist unter anderem eine Funktion der Elementarzusammensetzung des Rohstoffes. Ist der Rohstoff, dem Zielprodukt chemisch bereits sehr ähnlich, d. h. arm an Heteroatomen, wie es z. B. bei Alt- und Schwerölen sowie Kohlenwasserstoffbasierten Plastikabfällen der Fall ist, so kann bei erfindungsgemäßer Prozessführung vollkommen auf Überdruck und Wasserstoffatmosphäre verzichtet werden. Zum Teil ist hier sogar Unterdruckbetrieb vorteilhaft. Bei erhöhten Sauerstoffanteilen, wie z. B. bei Holz mit etwa 43 Gew. % Sauerstoff in der Trockensubstanz, wurde bei erfindungsgemäßer Verfahrensführung überraschend gefunden, dass auch ohne zusätzliche Hydrierkatalysatoren schon Wasserstoffpartialdrücke von weniger als 80 bar in der Regel ausreichend sind. Das Reaktionsgemisch besteht üblicherweise aus den drei Phasen Gas- Dampf-Phase, Flüssigphase und Festphase. Die Gas-Dampf-Phase enthält zum einen das Reaktionsgas G, welches als Nebenprodukt durch die Crackreaktionen in den Reaktoren I und II gebildet wird, und zum ande- ren die aufgenommenen Dämpfe, die erfindungsgemäß im Wesentlichen verdampfte Produktöl-Kohlenwasserstoffe sind. Rohstoffbedingt können auch Wasserdampfanteile WD dabei sein. Dazu können ggf. weitere Gaskomponenten wie z. B. Wasserstoff H2 als Hydriergas kommen.For the hydrogen H 2 to develop its hydrogenating effect, an increased operating pressure is necessary. The necessary overpressure is, among other things, a function of the elemental composition of the raw material. Is the raw material, the target chemical already very similar, ie low in heteroatoms, as z. B. in used and heavy oils and hydrocarbon-based plastic waste is the case, it can be completely dispensed with inventive process control overpressure and hydrogen atmosphere. In part, even negative pressure operation is advantageous here. At elevated oxygen levels, such as. B. in wood with about 43 wt.% Oxygen in the dry matter, was surprisingly found in inventive process control that even without additional hydrogenation hydrogen partial pressures of less than 80 bar are usually sufficient. The reaction mixture usually consists of the three phases gas-vapor phase, liquid phase and solid phase. The gas-vapor phase contains on the one hand the reaction gas G, which is formed as a by-product of the cracking reactions in the reactors I and II, and on the other hand the received vapors, which are inventively substantially vaporized product oil hydrocarbons. Due to the raw material, water vapor components WD can also be present. For this purpose, if necessary, further gas components such. B. hydrogen H 2 come as a hydrogenation gas.
Wie FIG 1 ebenfalls zeigt, kann die im Kondensationsschritt KI kondensierte Öl- und Wasserphase Öl + W + G ebenso über ein Expansionsturbine oder einen Motor entspannt werden, falls die Reaktion in Reaktor RII unter Überdruck läuft, gefolgt von anschließender Destillation. Bei dieser ggf. durchgeführten Entspannung werden gewisse im Öl unter Ü- berdruck gelöste Gasanteile freigesetzt, die nach der Destillation in einem zweiten Kondensationsschritt KII abgetrennt und ebenfalls dem Brenner zugeführt werden können. Die Destillation wird vorzugsweise als Mehrstufenrektifikation ausgeführt, bei der die Ölanteile in Siedefraktionen zerlegt werden. Die hochsiedende Sumpffraktion der Destillation wird als schwerflüchtiger Ölanteil SO, wie oben beschrieben, erfindungsgemäß zurück in Reaktor RI, RII geführt.As also shown in FIG. 1, the oil and water phase oil + W + G condensed in the condensation step KI can also be expanded via an expansion turbine or an engine if the reaction in reactor RII is under overpressure, followed by subsequent distillation. During this relaxation, if necessary, certain gas components dissolved in the oil under excess pressure are released which, after distillation, can be separated off in a second condensation step KII and likewise fed to the burner. The distillation is preferably carried out as a Mehrstufenrektifikation in which the oil fractions are decomposed into boiling fractions. According to the invention, the high-boiling bottoms fraction of the distillation is passed back into reactor RI, RII as low-volatile oil fraction SO, as described above.
Nach Kühlungskondensation im Kondensationsschritt KII wird die Flüssigphase in Phasentrennungsstufe PIV mechanisch durch Absetzen in eine Ölphase, das gewünschte Produktöl, und eine Wasserphase aufgetrennt, so dass die schwerere Wasserphase zuerst ablaufen gelassen werden kann, ehe das Produktöl wird im Produkttank gesammelt wird. Die Wasserphase W kann der oben beschriebenen Wasserdampfvergasung WDV und/oder Kohlenmonoxid-Konvertierung zugeführt werden kann.After cooling condensation in the condensation step KII, the liquid phase in phase separation stage PIV is mechanically separated by settling in an oil phase, the desired product oil, and a water phase so that the heavier water phase can be drained first before the product oil is collected in the product tank. The water phase W can be supplied to the above-described water vapor gasification WDV and / or carbon monoxide conversion.
Treten rohstoffbedingt keine Wasseranteile auf, entfällt die Phasentrennungsstufe PIV. Dies betrifft aber vor allem Rohstoffe ohne Sauerstoffan- teil, bei denen in der Regel auch kein Hydriergas benötigt wird, so dass dann üblicherweise auch kein Wasserbedarf durch Wasserdampfvergasung und/oder Kohlenmonoxid-Konvertierung entsteht.If there are no water components as a result of the raw material, the phase separation stage PIV is eliminated. This applies above all to raw materials without oxygen Part, which usually also no hydrogenating gas is needed, so that then usually no water requirement by steam gasification and / or carbon monoxide conversion is formed.
Es gilt zu beachten, dass grundsätzlich im vorliegend offenbarte Verfahren einer der beiden oder beide Reaktoren I, II drucklos oder sogar unter Unterdruck gefahren werden können, auch die Druckbeaufschlagung beider Reaktoren kann sich, abhängig vom Edukt, das der Fachmann hinsichtlich seiner Crack- und Hydriereigenschaften kennt, als sinnvoll erwei- sen. Entsprechend ist dann die Zwischenschaltung einer Expansionsanlage abdingbar.It should be noted that in principle in the presently disclosed process of either or both reactors I, II can be operated without pressure or even under reduced pressure, the pressurization of both reactors, depending on the reactant, the expert in terms of its cracking and Hydrabigenschaften knows, proves useful. Accordingly, then the interposition of an expansion plant is mandatory.
Weiterhin ist zu bedenken, dass das erfindungsgemäße Verfahren generell auch in mehr als zwei Reaktoren durchgeführt werden kann, die in FIG 1 beispielhaft aufgezeigten Stoffströme, besonders die Kreislaufführung der Schwerölfraktion, müssen dann vom Fachmann entsprechend den aufgezeigten Verfahrensschritten zugeführt werden.It is further to be considered that the process according to the invention can generally also be carried out in more than two reactors, the material streams exemplified in FIG. 1, in particular the recycling of the heavy oil fraction, then have to be fed by the person skilled in the art according to the indicated process steps.
Schließlich sind bei der Durchführung des Verfahrens spezielle rohstoff- spezifische Aspekte zu beachten, die an Hand von Beispielen erläutert werden:Finally, special process-specific aspects must be taken into account when carrying out the process, which will be explained by means of examples:
Beim Einsatz eiweißhaltiger Rohstoffe wie Tier- und Knochenmehl ist es von besonderer Bedeutung, dass möglicherweise vorhandene Giftstoffe wie Prionen durch den beschriebenen Umwandlungsprozess vollständig zerstört werden. Dies sollte durch die Reaktionstemperaturen von 350 0C gewährleistet werden. Eine elektrolytische Zersetzung als Vorbehandlung des Knochenmehls kann sich als vorteilhaft erweisen, um Mineralkomponenten als Katalysatormaterial freizusetzen. Eine Wahrscheinlichkeit der Kontamination der Umgebung mit freigesetzten Prionen, die beispielsweise in Verbrennungsprozessen auftreten kann, wird hier wegen der luftfreien Kapselung des Prozesses deutlich verringert. Der Stickstoffanteil der Eiweißmoleküle wird in der reduzierenden Atmosphäre des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen in Ammoniak umgewandelt und über die wässrige Phase ausgeschieden. Aus der Wasserphase kann der Ammoniakanteil durch eine einfache zusätzliche Rektifikation isoliert und ver- marktet werden.When using proteinaceous raw materials such as animal and bone meal, it is of particular importance that any possible toxins such as prions are completely destroyed by the described conversion process. This should be ensured by the reaction temperatures of 350 0 C. An electrolytic decomposition as a pretreatment of the bone meal may prove to be advantageous to release mineral components as a catalyst material. A likelihood of contamination of the environment with released prions, which can occur, for example, in combustion processes, is significantly reduced here because of the air-free encapsulation of the process. The nitrogen content of Protein molecules are essentially converted into ammonia in the reducing atmosphere of the process according to the invention and eliminated via the aqueous phase. From the water phase, the ammonia fraction can be isolated and marketed by simple additional rectification.
Bei chlorhaltigen Rohstoffen darf davon ausgegangen werden, dass keine Dioxine entstehen, da das erfindungsgemäßen Verfahrens bei Reaktionstemperaturen von unter 400 °C arbeitet, wodurch nicht mehr von Dioxin- Produktion ausgegangen zu werden braucht.In the case of chlorine-containing raw materials, it may be assumed that no dioxins are formed, since the process according to the invention operates at reaction temperatures of below 400 ° C., whereby it is no longer necessary to start from dioxin production.
Beim Einsatz von Schweröl als Edukt tritt an Stelle des Crackens in der ersten Phase ein destillativer Reinigungsschritt, da der Hauptbestandteil des Altöls in der Dieselfraktion besteht. Verkokungsrückstände werden in der zweiten Phase z. B. durch einen Pyrolyseschritt aufgearbeitet.When using heavy oil as starting material, instead of cracking in the first phase, a distillative purification step occurs because the main constituent of the waste oil is the diesel fraction. Coking residues are in the second phase z. B. worked up by a pyrolysis step.
Beispiele für schwermetallbelastete Sedimente mit erhöhtem organischem Anteil sind Klärschlämme und vom unbelasteten Sand befreite Feinkornfraktionen von Baggerschlämmen aus Flussläufen. Hierbei soll der Um- wandlungsprozess im Reaktor gleichzeitig dafür sorgen, dass die Schwermetalle aus dem organischen Produkt entfernt und in der anorganischen Matrix derart fest eingebunden werden, dass die Eluate praktisch schwer- metallfrei sind. Bei Einsatz von Hafenschlick aus dem Hamburger Hafen mit 367 - 410 ppm Pb, 17 - 19 ppm Cd, 2100 - 2233 ppm Zn und 370 - 377 ppm Cu sowie mit 25 - 26 % organischem Anteil in der Trockensubstanz wurden bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit diesem Edukt ohne zusätzliche Katalysatoren mit 100 bar Wasserstoffdruck bei 450 0C folgende Resultate gefunden: Ein Anteil von 25 — 30 % der organischen Substanz wurde in ein hochwertiges dünnflüssiges Öl umgewandelt, während 99,99 % des Pb, 99,99 % des Cd, 99,8 % des Zn und 99,98 % des Cu im anorganischen Rückstand verblieben. Sowohl die produzierte Ölphase als auch die Wasserphase waren praktisch schwerme- tallfrei. Überraschenderweise veränderten sich die Bindungsformen der Schwermetalle in der anorganischen Matrix unter den angewandten erfindungsgemäßen Reaktionsbedingungen vollkommen ohne die bekannte Verglasung, die wesentlich höhere Temperaturen erfordert, derart, dass alle genannten Schwermetalle in festere Bindungs formen wechselten, so dass einerseits praktisch gar kein Pb und Cu und andererseits weniger als 1 % des Cd und weniger als 5 % des Zn noch in einer austauschbaren, also eluierbaren, Kationenform vorlagen. Zum Vergleich lagen im eingesetzten Rohstoff vor dem erfindungsgemäßen Umwandlungsprozess noch etwa 1 % des Pb und Cu, etwa 14 % des Cd und knapp 30 % des Zn in der eluierbaren Form vor.Examples of heavy metal-contaminated sediments with an increased organic content are sewage sludge and fine-grained fractions of dredger sludges from river courses freed from the unloaded sand. At the same time, the conversion process in the reactor should ensure that the heavy metals are removed from the organic product and firmly bound in the inorganic matrix in such a way that the eluates are virtually free of heavy metals. When using harbor silt from the Port of Hamburg with 367 - 410 ppm Pb, 17-19 ppm Cd, 2100 - 2233 ppm Zn and 370 - 377 ppm Cu and with 25 - 26% organic content in the dry matter were in carrying out the inventive method with Found this starting material without additional catalysts with 100 bar hydrogen pressure at 450 0 C, the following results: A proportion of 25 - 30% of the organic substance was converted into a high-quality low-viscosity oil, while 99.99% of Pb, 99.99% of Cd, 99.8% of the Zn and 99.98% of the Cu remained in the inorganic residue. Both the oil phase produced and the water phase were virtually heavy tallfrei. Surprisingly, the bonding forms of the heavy metals in the inorganic matrix under the reaction conditions used according to the invention completely changed without the known glazing, which requires much higher temperatures, such that all of the above heavy metals changed in tighter bonding forms, so that on the one hand practically no Pb and Cu and On the other hand, less than 1% of the Cd and less than 5% of the Zn were still in a replaceable, ie elutable, cation form. For comparison, about 1% of the Pb and Cu, about 14% of the Cd and almost 30% of the Zn were present in the elutable form in the raw material used before the conversion process according to the invention.
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Rohstoff Holz als Modellrohstoff für lignocellulosehaltige Roh- und Abfallstoffe ergaben folgende Werte: Im Modellversuch wurde der Rohstoff Holz ohne zusätzliche Katalysatoren bei 80 bar Wasserstoffdruck mit anschließender druckloser Verölung bei einer Temperatur von 350 0C der Umwandlung unterzogen, wobei hochwertiges dünnflüssiges Produktöl in einer Ausbeute von etwa 37 Gew. %, bezogen auf eingesetzte Holztrockensubstanz, gewonnen wurde. Dieses Öl hatte einen Sauerstoffgehalt von etwa 4 — 5 Gew. %, einen Heizwert von etwa 42 MJ/kg und einen Siedebereich von 180 0C bis 370 0C. Dazu wurden im Reaktor etwa 4 Gew. % Wasserstoff, bezogen auf eingesetzte Holztrockensubstanz, eingesetzt, wobei die Ausbeute sowohl an Reaktionsgas als auch an Reaktionswasser jeweils etwa 30 Gew. % betrug. Das erzeugte Reaktionsgas mit einem Heizwert von etwa 8,5 MJ pro kg Gas reicht zur Deckung des gesamten Prozesswärmebedarfs von etwa 2,5 MJ pro kg Holz aus. Gemessen an dem Heizwert des eingesetzten Holzes von etwa 18 MJ/kg, ergibt sich damit für diesen erfindungsgemäßen Verflüssigungsprozess ein energetischer Gesamtwirkungs- grad von etwa 86 %. Damit wird mittels des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird die thermodynamisch und chemisch sehr anspruchsvolle Aufgabe der thermochemischen Umwandlung von höhermolekularen organischen E- dukten unter Optimierung der Energiebilanz in niedermolekulare organische, bei Raumtemperatur flüssige Produkte, die frei von oder arm an He- teroatomen sind unter Berücksichtigung der anorganischen als auch der organischen Anforderungen bewältigt.Implementation of the method according to the invention with the raw material wood as a model raw material for lignocellulosic raw materials and waste materials gave the following values: In the model experiment, the raw material wood without additional catalysts at 80 bar hydrogen pressure followed by pressureless oiling at a temperature of 350 0 C was subjected to the conversion, with high quality low-viscosity product oil in a yield of about 37 wt.%, Based on wood pulp used, was obtained. This oil had an oxygen content of about 4-5 wt.%, A calorific value of about 42 MJ / kg and a boiling range of 180 0 C to 370 0 C. For this purpose in the reactor about 4 wt.% Hydrogen, based on wood pulp used, used, wherein the yield of both reaction gas and water of reaction in each case about 30 wt.% Was. The generated reaction gas with a calorific value of about 8.5 MJ per kg of gas is sufficient to cover the total process heat requirement of about 2.5 MJ per kg of wood. Based on the calorific value of the wood used of about 18 MJ / kg, this results in an overall energy efficiency of about 86% for this liquefaction process according to the invention. Thus, by means of the process and apparatus for carrying out the process described above, the thermodynamically and chemically very demanding task of thermochemical conversion of high molecular weight organic E- products with optimization of the energy balance in low molecular weight organic, liquid at room temperature products free of or poor At heteroatoms are handled taking into account the inorganic as well as the organic requirements.
Als Anforderungen an die anorganische Chemie wird beispielsweise auf die Umsetzung von Hafenschlick verwiesen, einer gemäß obiger Definition organischen Substanz, die jedoch anorganische Komponenten enthält. Diese anorganische Komponenten liegen im Wesentlichen in einer verbesserten und von organischen Bestandteilen befreiten Form vorliegt, nach- dem sie dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen worden sind. Bei Hafenschlick, der mit Schwermetallen belastet ist, können die Schwermetalle quantitativ in der anorganischen Fraktion gebunden werden, damit die organischen Produkte schwermetallfrei sind. Gleichzeitig aber erfolgt die Einbindung der Schwermetalle in die anorganische Matrix derart, dass sie anschließend nicht mehr eluierbar sind, so dass die mineralische Produktfraktion vorteilhaft entweder deponiert oder beispielsweise im Baugewerbe eingesetzt werden kann und somit eine ökologische Entlastung der Umwelt erfolgt, nachdem das hochtoxische, ein Gefahrenpotential darstellende Hafenschlickmaterial dem erfindungsgemäßen Verfahren un- terzogen wurde.As requirements for inorganic chemistry, reference is made, for example, to the implementation of harbor sludge, an organic substance as defined above, but containing inorganic components. These inorganic components are substantially in an improved and freed from organic components form after they have been subjected to the inventive method. In harbor silt, which is loaded with heavy metals, the heavy metals can be bound quantitatively in the inorganic fraction, so that the organic products are free of heavy metals. At the same time, however, the heavy metals are incorporated into the inorganic matrix in such a way that they can no longer be eluted, so that the mineral product fraction can advantageously either be landfilled or used, for example, in the construction industry, thus resulting in an ecological relief of the environment after the highly toxic one Hazardous potential port silt material was subjected to the method according to the invention.
Mittels dem vorliegenden Verfahren ist es überdies möglich, bei der Umwandlung der organischer Edukte wie z. B. Tier- und Knochenmehl gleichzeitig einerseits hochmolekulare, d. h. langkettige, organische Ver- bindungen selektiv zu cracken, also derart zu verkürzen, dass exakt der gewünschte Molekülkettenlängenbereich herauskommt, der beispielsweise bei Dieselöl mit einem Siedebereich vorzugsweise von 200 0C bis 380 0C etwa zwischen 11 und 21 C Atomen liegt, andererseits können die Hetero- atome unter möglichst geringen Verlusten an Kohlenstoff und Wasserstoff selektiv entfernt werden. Hierbei können Mineralstoffanteile gewünschte katalytische Wirkung entfalten. Vorteilhaft ist es möglich, mit- tels des dargelegten erfindungsgemäßen Verfahrens neben den anorganische Giftstoffen wie Schwermetallen auch organische Giftstoffe wie z. B. Prionen aus Tier- und Knochenmehl partiell oder vollständig aus den organischen Edukten zu eliminieren oder unschädlich zu machen und gleichzeitig bei umsichtiger Reaktionsführung die Entstehung neuer Gift- Stoffe wie z. B. Dioxine zu verhindern.By the present method, it is also possible in the conversion of the organic starting materials such. B. animal and bone meal on the one hand high-molecular, ie long-chain organic compounds selectively to crack, so shorten so that exactly the desired molecular chain length range comes out, for example, in diesel oil with a boiling range preferably from 200 0 C to 380 0 C. On the other hand, the heteroatoms can be selectively removed with as little loss of carbon and hydrogen as possible. In this case, mineral components can develop the desired catalytic effect. Advantageously, it is possible by means of the presented method according to the invention in addition to the inorganic toxins such as heavy metals and organic toxins such. B. prions from animal and bone meal to eliminate partially or completely from the organic starting materials or render harmless and at the same time prudent reaction, the emergence of new toxins such. As to prevent dioxins.
Somit liegt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein ökologisch und ökonomisch bedeutsames Verfahren zum Rohstoffrecycling vor.Thus, with the method according to the invention is an ecologically and economically significant process for raw material recycling.
Die FIG 2 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele eines horizontalen Reaktors 2 und FIG 6 ein Ausführungsbeispiel eines vertikalen Reaktors 2, der einen druckdicht von einer Wandung 32 umschlossenen Reaktionsraum 3 umfasst, der wiederum in eine Phasentrennzone 31 und eine Förderzone 30 unterteilt ist. Der Reaktor 2 wird üblicherweise auf Drücke von — 1 bar bis + 80 bar jeweils bezogen auf Atmosphärendruck ausgelegt.FIGS. 2 to 5 show exemplary embodiments of a horizontal reactor 2, and FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a vertical reactor 2 which comprises a reaction chamber 3 surrounded pressure-tight by a wall 32, which in turn is subdivided into a phase separation zone 31 and a conveying zone 30. The reactor 2 is usually designed for pressures of-1 bar to + 80 bar, each based on atmospheric pressure.
Die Wandung 32 des Reaktionsraumes 3 ist in der Phasentrennzone 31 gemäß FIG 2 bis 5 überwiegend kugelförmig und gemäß FIG 6 annähernd zylindrisch und im Bereich der Förderzone 30 im Wesentlichen zylind- risch oder rohrförmig ausgebildet. Die Gestaltung des Reaktionsraumes 3 und seiner Wandung 32 ist aber nicht auf diese speziellen Formen beschränkt. Die Förderzone 30 mündet in die Phasentrennzone 31. In die Förderzone 30 münden wiederum seitlich zwei Einlasse 4 und 5 zum Einleiten von Rohstoff (oder: Edukt(en)) RS in die Förderzone 30. Die bei- den Einlasse 4 und 5 liegen einander gegenüber etwas außermittig zu einer Mittelachse A der Förderzone 30. Der Rohstoff RS wird unter einem Förderdruck, der größer ist als der im Reaktorraum 3 herrschende Prozessdruck, von einer nicht dargestellten Fördereinrichtung, insbesondere einer Extruderschneckenpresse, durch die Einlasse 4 und 5 in die Förderzone 30 gefördert. Die gesamte Förder- zone 30 sowie ein Teil der Phasentrennzone 31 ist mit einem Sumpf (o- der: einem Sumpfphasengemisch) S gefüllt, der aus verschienen Phasen und Substanzen besteht und insbesondere den Rohstoff RS und die daraus durch thermische und/oder katalytische Zersetzung oder Cracken entstandenen Reaktionsprodukte in fester, flüssiger und gasförmiger Phase als Phasengemisch umfasst.The wall 32 of the reaction space 3 is predominantly spherical in the phase separation zone 31 according to FIGS. 2 to 5 and approximately cylindrical in accordance with FIG. 6 and substantially cylindrical or tubular in the region of the conveying zone 30. The design of the reaction space 3 and its wall 32 is not limited to these special forms. The conveying zone 30 opens into the phase separation zone 31. In turn, two inlets 4 and 5 for introducing raw material (or educt (s)) RS into the conveying zone 30 open into the conveying zone 30. The two inlets 4 and 5 face each other slightly off-center to a central axis A of the conveying zone 30. The raw material RS is conveyed through a feed pressure, which is greater than the process pressure prevailing in the reactor chamber 3, from a conveying device (not shown), in particular an extruder screw press, through the inlets 4 and 5 into the conveying zone 30. The entire delivery zone 30 and a part of the phase separation zone 31 is filled with a sump (or a sump phase mixture) S, which consists of various phases and substances and in particular the raw material RS and the resulting thermal and / or catalytic decomposition or Cracking formed reaction products in solid, liquid and gaseous phase as phase mixture comprises.
Eine in der Förderzone 30 angeordnete und in FIG 3 auch bis in die Phasentrennzone 31 reichende Fördereinrichtung 12 umfasst eine Förderschnecke, die an einer von einem Drehantrieb 41 angetriebenen Drehwelle 21 befestigt ist und den Sumpf S oder das Phasengemisch mit dem Rohstoff RS in der Förderrichtung FR zur Phasentrennzone 31 befördert.A conveying device 12 arranged in the conveying zone 30 and also extending into the phase separation zone 31 in FIG. 3 comprises a screw conveyor which is fastened to a rotary shaft 21 driven by a rotary drive 41 and the sump S or the phase mixture with the raw material RS in the conveying direction FR transported to the phase separation zone 31.
In einem oberen sumpffreien Bereich oberhalb des Spiegels des Sumpfes S der Phasentrennzone 31 nicht mit Sumpf S gefüllt und kann dadurch eine Dampfphase oder gasförmige Substanzen aus dem Sumpf S nach o- ben austreten und durch einen oberhalb oder am oberen Bereich der Trennzone 31 in der Wandung 32 vorgesehenen Auslass 6 nach oben über eine Auslassventileinrichtung 10 zur Druckreduzierung (Druckreduzierventil) abgeführt werden und als Nutzsubstanz für die niedermolekularen, insbesondere als Brennstoff verwendbaren Bestandteile weiter verarbeitet werden.In an upper sump-free region above the level of the sump S of the phase separation zone 31 is not filled with sump S and can thus escape a vapor phase or gaseous substances from the sump S to o- ben and through an above or at the top of the separation zone 31 in the wall 32 provided outlet 6 are removed above an outlet valve means 10 for reducing pressure (pressure reducing valve) and further processed as a useful substance for the low molecular weight, in particular usable as fuel components.
Im oberen Bereich der Trennzone 31 ist zusätzlich noch eine Überdruckschutzeinrichtung 1 1 vorgesehen, die üblicherweise ein Überdruckventil umfasst. Im unteren Bereich der Trennzone 11 sind in der Wandung 32 wenigstens ein und vorzugsweise mehrere Auslässe 7 vorgesehen, durch die ein Teil S' der Sumpfphase S über eine Rückführleitung 9, vorzugsweise unterstützt durch eine Fördereinrichtung 8, in die Förderzone 30 zurückgeführt wird, vorzugsweise in einem zur Förderrichtung FR des Rohstoffs RS stromaufwärts zu den Einlassen 4 und 5 gelegenen Einlassbereich 14. Die Fördereinrichtungen 8 in den Rückführleitungen 9 sind bevorzugt öl- oder gasbetriebene Pumpen, beispielsweise Schneckenpumpen, die beispielsweise mit einem Förderdruck von 1 bar (Differenzdruck) arbeiten können. In den Rückführleitungen 9 sind auch Heizungen 18 angeordnet, die insbesondere über Wärmerückgewinnung aus Prozesswärme oder gasbefeuert durch während des Prozesses entstehendes Brenngas oder ölbefeuert aus während dem Prozess entstehendem Öl betrieben werden kann oder auch mit Wärme aus anderen Prozessen, beispielsweise eines Blockheizkraft- werkes etc.In the upper part of the separation zone 31, an overpressure protection device 1 1 is additionally provided, which usually comprises a pressure relief valve. At least one and preferably several outlets 7 are provided in the wall 32 in the lower region of the separation zone 11, through which a part S 'of the sump phase S is returned to the conveying zone 30 via a return line 9, preferably assisted by a conveyor 8, preferably in FIG The feed means 8 in the return lines 9 are preferably oil or gas operated pumps, such as screw pumps, for example, with a discharge pressure of 1 bar (differential pressure) can work. In the return lines 9 and heaters 18 are also arranged, which can be operated in particular heat recovery from process heat or gas-fired by the resulting during the process fuel gas or oil-fired from emerging during the process oil or with heat from other processes, such as a combined heat and power plant etc.
Die Richtung der Schwerkraft (Erdanziehungskraft, Gravitationskraft) G ist mit einem Pfeil gekennzeichnet und zeigt in den FIG 2 bis 6 nach unten. Bei dem horizontalen Reaktor 2 gemäß FIG 2 bis 5 sind die Förder- zone 30 und die Phasentrennzone 31 horizontal oder senkrecht zurThe direction of gravity (gravitational force, gravitational force) G is indicated by an arrow and points in FIGS 2 to 6 down. In the case of the horizontal reactor 2 according to FIGS. 2 to 5, the delivery zone 30 and the phase separation zone 31 are horizontal or perpendicular to
Schwerkraft G nebeneinander angeordnet und bei dem vertikalen Reaktor 2 gemäß FIG 6 vertikal oder parallel zur Schwerkraft G übereinander, wobei die Phasentrennzone 31 oberhalb der Förderzone 30 liegt. Die Förderrichtung FR verläuft beim horizontalen Reaktor 2 gemäß FIG 2 bis 5 horizontal oder orthogonal zur Schwerkraft G und beim vertikalen Reaktor 2 gemäß FIG 2 bis 5 vertikal und entgegengesetzt zur Richtung der Schwerkraft G nach oben. Ansonsten sind die beiden Reaktortypen horizontaler Reaktor und vertikaler Reaktor ähnlich aufgebaut.Gravity G arranged side by side and in the vertical reactor 2 according to FIG 6 vertically or in parallel to the gravitational force G over each other, wherein the phase separation zone 31 is above the conveying zone 30. The conveying direction FR extends horizontally or orthogonally to the gravitational force G in the case of the horizontal reactor 2 according to FIGS. 2 to 5 and vertically in the vertical reactor 2 according to FIGS. 2 to 5 and opposite to the direction of the gravitational force G. Otherwise, the two reactor types horizontal reactor and vertical reactor have a similar structure.
Wenn ein Rohstoff zumindest überwiegend in fester Form vorliegt, ist es vorteilhaft, den Rohstoff vor dem Einbringen in den Reaktor möglichst in zerkleinerter Form in Form von Partikeln z.B. als Pulver oder Granulat aufzubereiten, um eine möglichst große Wirkoberfläche für die Zersetzungsreaktion oder das Cracken zu erhalten. Beispielsweise wird bei Verwendung von Holz oder holzähnlichem Rohstoff vorzugsweise ein Holzmehl oder Holzpulver mit Partikelgrößen von typischerweise 0,5 mm zur Verfügung gestellt, wie beispielsweise aus der Holzpelletherstellung bekannt.If a raw material is at least predominantly in solid form, it is advantageous, the raw material prior to introduction into the reactor as possible in comminuted form in the form of particles such as powder or granules to obtain the largest possible surface area for the decomposition reaction or cracking. For example, when using wood or wood-like raw material, preferably a wood flour or wood powder having particle sizes of typically 0.5 mm is provided, as known, for example, from wood pellet production.
Bei Zersetzungsreaktionen oder VerÖlung unter Druck in dem Reaktor 2 können die Drücke bis zu 80 bar betragen. Hier werden nun jedoch auf- grund des dadurch erforderlichen entsprechend hohen Förderdrucks die Holzpartikel schon vor dem Eintritt in die Förderzone zusammengepresst und zusammengebacken, so dass der Holzrohstoff RS nicht in der gewünschten Form einzelner Partikel, sondern als zusammengebackene Masse mit einer unerwünscht hohen Dichte und Kompaktheit aus den Einläs- sen 4 und 5 in die Förderzone 30 eintritt.In the case of decomposition reactions or high pressure under pressure in the reactor 2, the pressures may be up to 80 bar. Here, however, due to the correspondingly high delivery pressure required thereby, the wood particles are compressed and caked together even before they enter the conveying zone, so that the wood raw material RS is not in the desired shape of individual particles but as a caked mass with an undesirably high density and compactness from the inlets 4 and 5 enters the conveying zone 30.
Gemäß der Erfindung ist nun im Bereich der Einlasse 4 und 5 eine Zerkleinerungseinrichtung 20 angeordnet, die im dargestellten Ausführungsbeispiel (FIG 3 und 4 und 5) aus mehreren parallel zueinander angeordne- ten und jeweils um die Achse A drehbaren Sägeblättern oder Sägeelementen 40 besteht, die mit beim Drehen wechselnden Teilbereichen ihres Außenumfang den Einlassen 4 und 5 zugewandt sind. Die zusammengepress- te Masse des Rohstoffes RS wird nun schon beim Eintritt in die Förderzone 30 aufgrund der Vielzahl von kleinen Sägezähnen der Sägeelementen 40 (vgl. FIG 4) wieder in kleine Partikel zerkleinert, wobei vorzugsweise wieder eine Partikelgröße in der Größenordndung von 0,5 mm angestrebt wird.According to the invention, a shredding device 20 is now arranged in the region of the inlets 4 and 5 which, in the illustrated embodiment (FIGS. 3 and 4 and 5), consists of a plurality of saw blades or saw elements 40 which are arranged parallel to each other and rotatable about the axis A, respectively are facing with the turning portions of their outer periphery the inlets 4 and 5. The compressed mass of the raw material RS is now crushed back into small particles as soon as it enters the conveying zone 30 due to the large number of small saw teeth of the sawing elements 40 (see FIG. 4), preferably again a particle size in the order of magnitude of 0.5 mm is sought.
Die Sägeelemente 40 der Zerkleinerungseinrichtung 20 werden vorzugs- weise axial in Richtung der Drehachse A gesehen mit Öffnungen versehen oder in Form von offenen Stützstrukturen, beispielsweise wie bei einem Rad mit Nabe und Speichen, ausgebildet, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand gegen das in Förderrichtung FR strömende Medium des Sumpfes S zu bieten. Am Umfang werden eine Vielzahl von Schneidzähnen verteilt, vorzugsweise gleichmäßig verteilt, zueinander angeordnet. Außer einer Sägeeinrichtung mit Sägezähnen kann auch eine Fräseinrich- tung mit Fräszähnen oder eine andere Schneideinrichtung zum mechanischen Zerkleinern des eintretenden Rohstoffs RS vorgesehen sein.The sawing elements 40 of the comminution device 20 are preferably provided axially in the direction of the axis of rotation A with openings or in the form of open support structures, for example as in the case of a wheel with hub and spokes, in order to minimize the amount To provide flow resistance against the flowing in the conveying direction FR medium of the sump S. At the periphery a plurality of cutting teeth are distributed, preferably evenly distributed, arranged to each other. In addition to a sawing device with saw teeth, a milling device with milling teeth or another cutting device for mechanical comminution of the incoming raw material RS can also be provided.
Die Sägeelemente 40 der Zerkleinerungseinrichtung 20 sind vorzugsweise an der Drehwelle 21 befestigt, die auch die Förderschnecke der Förderein- richtung 12 um die Drehachse A dreht, und drehen sich somit mit der gleichen Drehgeschwindigkeit wie die Förderschnecke mit. Es kann aber auch ein gesonderter Antrieb für die Zerkleinerungseinrichtung 20 vorgesehen sein.The sawing elements 40 of the comminuting device 20 are preferably fastened to the rotary shaft 21, which also rotates the conveying screw of the conveying device 12 about the axis of rotation A, and thus also rotate at the same rotational speed as the conveying screw. However, it may also be provided a separate drive for the shredding device 20.
Ferner weist der Reaktor 2 an der Unterseite der Phasentrennzone 31 einen weiteren Auslass 17 vor, der insbesondere als Rohrstutzen ausgebildet ist, zur Ausleitung von sich dort aufgrund der Schwerkraft G absetzenden schweren Bestandteilen des Reaktionsgemischs oder Sumpfes S. Die sich über den Auslass 17 ansammelnden schweren Bestandteile oder Auslass- produkte werden einer in FIG 3 nicht gezeigten Weiterbehandlung unterzogen. Insbesondere können diese schwereren Bestandteile des Sumpfes S über den Auslass 17 einer Phasentrennung zugeführt werden, wobei die Auslassprodukte am Auslass 17, beispielsweise von einem Separator, in feste und flüssige Bestandteile getrennt werden und dann vorzugsweise auch die flüssigen Bestandteile nochmals in niedrigviskosere Komponenten einerseits und dickflüssigere oder höherviskosere Anteile andererseits getrennt werden. Die festen Bestandteile können dann in einer in FIG 1 bis 5 nicht dargestellten Pyrolyseanlage weiter zersetzt und in niedermolekularere Nutzprodukte umgesetzt werden. Die dünnflüssigeren Bestand- teile können, da sie die niedermolekularen Produkte enthalten, dem Reaktionsraum 3 zurückgeführt werden. Die höherviskosen oder dickflüssigeren Bestandteile der Auslassprodukte am Auslass 17 werden dagegen in einer zweiten Stufe in einem zweiten Reaktor einer weiteren Zersetzungsreaktion unterzogen, insbesondere durch drucklose katalytische Zersetzung oder Crackreaktion.Furthermore, the reactor 2 at the bottom of the phase separation zone 31, a further outlet 17, which is designed in particular as a pipe socket, for discharging there due to gravity G settling heavy components of the reaction mixture or sump S. The accumulating on the outlet 17 heavy Components or outlet products are subjected to a further treatment not shown in FIG. In particular, these heavier components of the sump S can be fed via the outlet 17 to a phase separation, wherein the outlet products at the outlet 17, for example, from a separator, are separated into solid and liquid components and then preferably the liquid components again in lower viscosity components on the one hand and thicker or higher-viscosity components, on the other hand. The solid constituents can then be further decomposed in a pyrolysis plant, not shown in FIGS. 1 to 5, and converted into lower molecular weight useful products. The thinner-fluid constituents, since they contain the low molecular weight products, can be recycled to the reaction space 3. The higher viscosity or thicker components of the outlet products at the outlet 17, however, in a second stage in a second reactor subjected to a further decomposition reaction, in particular by unpressurized catalytic decomposition or cracking reaction.
Ein solcher Auslass 17 ist in der Regel auch bei den anderen Ausführungsformen gemäß FIG 2 und 4 bis 5 vorgesehen, dort jedoch nicht dargestellt.Such an outlet 17 is usually also provided in the other embodiments according to FIG 2 and 4 to 5, but not shown there.
Ferner ist eine Misch- und/oder Schereinrichtung 23 auf einer Drehwelle 22 drehbar angeordnet und gemäß FIG 3 am Übergangsbereich zur Förderzone 30 in der Phasentrennzone 31 angeordnet und umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß FIG 5 vier um 90 ° zueinander versetzt angeordnete Misch- und/oder Scherflügel 29, die nach Art von Rotorblättern ausgebildet sind und relativ scharfe Scherkanten aufweisen, um eine Scher- oder ggf. sogar Schnittwirkung für das durchtretende Medium mit dem Rohstoff RS und den Reaktionsprodukten und weiteren Komponenten des Sumpfes S zu erzielen.Furthermore, a mixing and / or shearing device 23 is rotatably arranged on a rotary shaft 22 and arranged according to FIG 3 at the transition region to the conveying zone 30 in the phase separation zone 31 and comprises in the illustrated embodiment shown in FIG 5 four offset by 90 ° to each other arranged mixing and / or Shearing blades 29, which are designed in the manner of rotor blades and have relatively sharp shearing edges in order to achieve a shearing or possibly even cutting action for the passing medium with the raw material RS and the reaction products and other components of the sump S.
In FIG 3 sind die Misch- und/oder Scherflügel 29 gekrümmt dem Verlauf der Wandung 32 des Reaktors 2 folgend ausgebildet und relativ nahe an der Wandung 32 angeordnet, um zusätzlich eine Reinigungswirkung für die Wandung 32 zu erzielen. Auch in FIG 6 folgen die radial zur Achse A nach außen weisenden Teile der Misch- und/oder Scherflügel 29 der Wandung 32 des Reaktors 2 und weitere axial zur Achse A verlaufende Teile der Misch- und/oder Scherflügel 29 verlaufen bis zum Wellenlager 24, wo sie befestigt sind. Die Misch- und/oder Scherflügel in FIG 6 haben somit eine Z-förmige Grundform in einem Axialschnitt. Auch dei Flügel 29 in FIG 3 können so ausgebildet sein wie in FIG 6.In FIG. 3, the mixing and / or shear blades 29 are curved and follow the course of the wall 32 of the reactor 2, and are arranged relatively close to the wall 32 in order to additionally achieve a cleaning action for the wall 32. FIG. 6 also shows the parts of the mixing and / or shear blades 29 of the wall 32 of the reactor 2 pointing radially to the axis A and further parts of the mixing and / or shear blades 29 running axially to the axis A extending to the shaft bearing 24. where they are attached. The mixing and / or shear blades in FIG. 6 thus have a Z-shaped basic shape in an axial section. Also, the wings 29 in FIG. 3 may be configured as in FIG. 6.
Schließlich sind in der Phasentrennzone 31 des Reaktionsraumes 3 noch wenigstens eine Schabeinrichtung mit in FIG 3 drei an der Welle 22 drehbar befestigten Schabelementen 25 26 und 27 vorgesehen zum Abschaben von Rückständen an der inneren Oberfläche der Wandung 32 in der Pha- sentrennzone 31, insbesondere an den und um die Auslässe 6, 7 und 17.Finally, in the phase separation zone 31 of the reaction space 3, at least one scraper device with three scraper elements 25, 26 and 27 rotatably mounted on the shaft 22 is provided for scrapping Residues on the inner surface of the wall 32 in the phase separation zone 31, in particular at and around the outlets 6, 7 and 17.
Diese Schab- oder Reinigungswirkung kann auch durch Kombination oder bauliche Integration mit der Misch- und/oder Schereinrichtung 23 erreicht werden, beispielsweise indem die Flügel 29 um die Wandung 32 weiter herumgezogen werden, z.B. in FIG 6 auch entlang der seitlichen und vertikalen Wandungsbereiche der Wandung 32 in der Phasentrennzo- ne 31 verlaufen, und dann vorzugsweise an einem zweiten Ende ebenfalls innen wieder mit der Welle 22 verbunden werden und damit eine Bügelform aufweisen. Ebenso kann auch in der Förderzone 30 eine Schabeinrichtung für die Wandung vorgesehen sein.This scraping or cleaning action can also be achieved by combination or structural integration with the mixing and / or shearing means 23, for example by further drawing the wings 29 around the wall 32, e.g. 6 also run along the lateral and vertical wall regions of the wall 32 in the Phasentrennzo- ne 31, and then preferably at a second end also inside again connected to the shaft 22 and thus have a bow shape. Likewise, a scraping device for the wall can also be provided in the conveying zone 30.
Bevorzugt drehen sich die Misch- und/oder Schereinrichtung 23 und de- ren Mischflügel 29 (und die Schabelemente 25, 26 und 27) in entgegengesetzter Drehrichtung zu der Förderschnecke der Fördereinrichtung 12. Damit erreicht man eine stärkere Misch- und Scherwirkung. Die beiden Drehwellen 21 und 22 sind dazu miteinander in einem Wellenlager 24 gegeneinander frei um dieselbe Drehachse A drehbar verbunden und ge- trennt voneinander durch die zugehörigen Anriebe 41 und 42 angetrieben. Alternativ zu zwei getrennten Drehwellen kann in allen Aus führungs formen auch eine einzige durchgehende Drehwelle vorgesehen sein, so dass alle drehenden Komponenten im Reaktor 2 von demselben Antrieb und mit derselben Drehgeschwindigkeit angetrieben werden. Bei einer gemein- samen Drehwelle drehen sich Mischeinrichtung 23 und Fördereinrichtung 12 in der derselben Drehrichtung und in der Regel mit derselben Drehgeschwindigkeit. Die Ausbildung mit zwei getrennten Wellen 21 und 22 hat auch den Vorteil, dass nicht nur unterschiedliche Drehrichtungen, sondern auch unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten für die mechanischen Komponenten 23, 25, 26 und 27 in der Phasentrennzone 31 einerseits und die Fördereinrichtung 12 sowie die Zerkleinerungseinrichtung 20 in der Förderzone 30 andererseits eingestellt werden können. Insbesondere wenn ein Teil der Fördereinrichtung auch noch in der Phasentrennzone 31 angeordnet ist, ist dieselbe Drehrichtung bevorzugt.Preferably, the mixing and / or shearing device 23 and its mixing vanes 29 (and the scraping elements 25, 26 and 27) rotate in the opposite direction of rotation to the conveying screw of the conveying device 12. This achieves a greater mixing and shearing effect. For this purpose, the two rotary shafts 21 and 22 are connected to one another in a shaft bearing 24 so as to be freely rotatable about the same axis of rotation A and are driven apart from one another by the associated drives 41 and 42. As an alternative to two separate rotary shafts, in all embodiments, a single continuous rotary shaft can also be provided, so that all rotating components in the reactor 2 are driven by the same drive and at the same rotational speed. In the case of a common rotary shaft, mixing device 23 and conveying device 12 rotate in the same direction of rotation and generally at the same rotational speed. The training with two separate shafts 21 and 22 also has the advantage that not only different directions of rotation, but also different rotational speeds for the mechanical components 23, 25, 26 and 27 in the phase separation zone 31 on the one hand and the conveyor 12 and the comminuting device 20 in the On the other hand, conveying zone 30 can be adjusted. Especially if a part of the conveyor is also arranged in the phase separation zone 31, the same direction of rotation is preferred.
Die Antriebe 41 und 42 können als Direktantriebe für die zugehörigen Wellen 21 bis 22 vorgesehen sein oder auch Getriebe oder andere Übersetzungseinrichtungen zwischen Motoren und Wellen umfassen. Als Motoren können Elektromotoren oder auch Hydromotoren oder öl- oder gasbetriebene Verbrennungsmotoren vorgesehen werden.The drives 41 and 42 may be provided as direct drives for the associated shafts 21 to 22 or may also include gears or other translation means between motors and shafts. As motors electric motors or hydraulic motors or oil or gas-powered internal combustion engines can be provided.
Der ganze Reaktor 2 ist vorzugsweise explosionsgeschützt ausgebildet.The entire reactor 2 is preferably designed explosion-proof.
Die FIG 7 zeigt ein Schaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einem erste Reaktor 50, einem zweiten Reaktor 60 und einem Pyrolysereaktor 70. Der Rohstoff RS wird an einem Eingang 51 dem ersten Reaktor 50 zugeführt und dort thermisch zersetzt. Das nutzbare Zersetzungsprodukt tritt als Dampfphase Dl an einem oben angeordneten Auslass 52 des ersten Reaktors 50 aus und kann beispielsweise durch Destillation weiter getrennt werden, um den Kraftstoff, z.B. Diesel oder Kerosin, und ggf. weitere Nutzprodukte zu erhalten. An einem Auslass 53 des ersten Reak- tors 50 tritt ein Auslassprodukt Al aus und wird kontinuierlich oder in einzelnen Chargen abgenommen und einem Separator 80 zugeführt, der das Auslassprodukt Al in einen im Wesentlichen festen Auslassproduktanteil Al S und einen im Wesentlichen flüssigen Auslassproduktanteil AlL trennt.7 shows a circuit diagram of a device according to the invention with a first reactor 50, a second reactor 60 and a pyrolysis reactor 70. The raw material RS is fed to the first reactor 50 at an inlet 51 and thermally decomposed there. The usable decomposition product exits as a vapor phase Dl at an upstream outlet 52 of the first reactor 50 and may be further separated, for example by distillation, to remove the fuel, e.g. Diesel or kerosene, and possibly other useful products. At an outlet 53 of the first reactor 50, an outlet product Al exits and is withdrawn continuously or in individual batches and fed to a separator 80 which separates the outlet product Al into a substantially solid outlet product portion Al S and a substantially liquid outlet product portion AlL.
Der flüssige Auslassproduktanteil AlL wird in einem nachfolgenden Pha- sentrenner 81 in einen dünnflüssigen oder niedrigviskosen Auslassproduktanteil AlLl und einen dickflüssigeren oder hochviskosen Auslassproduktanteil A1L2 getrennt. Der dünnflüssigere Auslassproduktanteil AlLl enthält niedrigmolekulare Reaktionsprodukte und wird deshalb unmittelbar einem Eingang 54 des ersten Reaktors 50 zurückgeführt. Der höherviskose dickflüssigere Auslassproduktanteil A1L2 enthält dagegen höher- molekulare Komponenten und wird deshalb einem Eingang 61 des zweiten Reaktors zur weiteren und effizienteren Zersetzung in dem zweiten Reaktor 60 zugeführt. Dabei kann die Zersetzungsreaktion in dem zweiten Reaktor 60 spezifisch an die bei dem Zersetzungsprozess im ersten Reak- tor 50 entstehenden dickflüssigen Auslassproduktanteile A1L2 angepasst werden. Beispielsweise kann bei Holz als schwer zersetzbarem Rohstoff RS in dem ersten Reaktor 50 eine thermochemische Zersetzung unter hohem Druck erfolgen, während in dem zweiten Reaktor 60 eine im Wesentlichen drucklose oder nur unter einem niedrigeren Druck stattfindend ka- talytische Zersetzung oder Crackreaktion zum Cracken der höhermolekularen Anteile in dem Auslassproduktanteil A1L2 durchgeführt werden kann.The liquid outlet product fraction AlL is separated in a subsequent phase separator 81 into a low-viscosity or low-viscosity outlet product fraction AlLI and a more viscous or high-viscosity outlet product fraction A1L2. The less viscous Auslassproduktanteil AlLl contains low molecular weight reaction products and is therefore returned directly to an input 54 of the first reactor 50. The higher viscous, more viscous outlet product A1L2, on the other hand, contains higher molecular components and is therefore supplied to an input 61 of the second reactor for further and more efficient decomposition in the second reactor 60. In this case, the decomposition reaction in the second reactor 60 can be adapted specifically to the viscous outlet product portions A1L2 which are formed during the decomposition process in the first reactor 50. For example, in the case of wood as a raw material RS which is difficult to decompose, thermochemical decomposition under high pressure can take place in the first reactor 50, while in the second reactor 60 a catalytic decomposition or cracking reaction takes place in the second reactor 60 to crack the relatively high molecular weight fractions in the Auslassproduktanteil A1L2 can be performed.
Auch am zweiten Reaktor 60 werden die Nutzprodukte an einem oben angeordneten Auslass 62 als Dampfphase D2 abgeführt und in der Regel durch Destillation weiter voneinander getrennt. Auch der zweite Reaktor 60 weist, vorzugsweise unten, einen Auslass 63 auf, an dem Auslassprodukte A2 kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen entnommen werden und einem Separator 82 zugeführt werden, der die Auslassproduk- te A2 wieder in feste Auslassproduktanteile A2S und flüssige Auslassproduktanteile A2L trennt. Die flüssigen Auslassproduktanteile A2L werden wieder von einem Phasentrenner 83 in dünnflüssige Auslassproduktanteile A2L1 und dickflüssige Auslassproduktanteile A2L2 getrennt.Also on the second reactor 60, the useful products are discharged at an outlet 62 arranged at the top as the vapor phase D2 and, as a rule, further separated from one another by distillation. The second reactor 60 also has, preferably at the bottom, an outlet 63 at which outlet products A2 are withdrawn continuously or at regular intervals and fed to a separator 82 which separates the outlet products A2 into solid outlet product portions A2S and liquid outlet product portions A2L. The liquid outlet product portions A2L are again separated from a phase separator 83 into low-viscosity outlet product portions A2L1 and thick-liquid outlet product portions A2L2.
Die dünnflüssigen Auslassproduktanteile A2L1 werden unmittelbar dem Eingang 61 des zweiten Reaktors 60 wieder zurückgeführt. Die dickflüssigen Auslassproduktanteile A2L2, die höhermolekulare, noch nicht gec- rackte Anteile enthalten, werden zur Erhöhung der Effizienz des Prozesses einer Impfeinrichtung 84 zugeführt, in der insbesondere in einem Misch- und/oder Rühr- oder Schleuderprozess wenigstens ein Katalysator K zugesetzt wird. Der geimpfte dickflüssige Auslassproduktanteil A2L2 + K wird nun dem Eingang 61 des zweiten Reaktors 60 zurückgeführt. Die Feststoffanteile Al S und A2S der Auslassprodukte Al und A2 werden von den Separatoren 80 und 82 jeweils unmittelbar einem Eingang 71 des Pyrolysereaktors 70 zugeführt und dort pyrolytisch zersetzt. Die entste- henden gasförmigen Zersetzungsprodukte werden über einen Ausgang 72 des Pyrolysereaktors 70 als Dampfphase D3 angeführt und weiter getrennt oder verwertet. An einem Auslass 73 des Pyrolysereaktors 70 anstehende Auslassprodukte A3 wie beispielsweise Teer können ebenfalls als Nutzprodukte weiter verwendet werden.The low-viscosity outlet product portions A2L1 are returned directly to the inlet 61 of the second reactor 60 again. The viscous Auslassproduktanteile A2L2 containing higher molecular weight, not uncracked shares are fed to increase the efficiency of the process of a seed 84, in which at least one catalyst K is added in particular in a mixing and / or stirring or spinning process. The seeded viscous outlet product portion A2L2 + K is now returned to the inlet 61 of the second reactor 60. The solids fractions Al S and A2S of the outlet products A1 and A2 are in each case directly supplied by the separators 80 and 82 to an inlet 71 of the pyrolysis reactor 70 and are pyrolytically decomposed there. The resulting gaseous decomposition products are led via an outlet 72 of the pyrolysis reactor 70 as vapor phase D3 and further separated or recycled. Outlet products A3, such as tar, which are present at an outlet 73 of the pyrolysis reactor 70, can also be used as useful products.
Es entsteht also gemäß FIG 7 und der vorstehenden Beschreibung gemäß der Erfindung ein Prozess und System, bei dem die Entstehung nicht verwertbarer Abfälle vermieden wird und der eingesetzte Rohstoff RS praktisch komplett zur Erzeugung von Nutzstoffen umgesetzt werden kann. Thus, according to FIG. 7 and the above description according to the invention, a process and system is produced in which the generation of unusable waste is avoided and the raw material RS used can be converted practically completely to produce useful substances.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
O = organischer Anteil des RohstoffesO = organic content of the raw material
A = anorganischer Anteil des Rohstoffes M = Metallanteile des RohstoffesA = inorganic content of the raw material M = metal content of the raw material
W = Wasseranteile des Rohstoffes, Reaktionswasser und FrischwasserW = water content of the raw material, water of reaction and fresh water
K = feste Katalysatoren und ChemikalienK = solid catalysts and chemicals
SO = flüssige SchwerölfraktionSO = liquid heavy oil fraction
F = feinkörnige Feststoffanteile G = ReaktionsgasF = fine-grained solids G = reaction gas
H2 = WasserstoffH 2 = hydrogen
R = fester und teerartiger ReaktionsrückstandR = solid and tarry reaction residue
Ö1D = ÖldampfÖ1D = oil vapor
WD = Wasserdampf Öl = flüssige ÖlfraktionWD = water vapor oil = liquid oil fraction
CO = KohlenmonoxidCO = carbon monoxide
CO2 = KohlendioxidCO 2 = carbon dioxide
RI, RII = Reaktor I, IIRI, RII = reactor I, II
PI = Phasentrennungsstufe I von Gas-/Dampfphase und feststoffhaltiger FlüssigphasePI = phase separation stage I of gas / vapor phase and solids-containing liquid phase
PII = Phasentrennungsstufe II von grobkörnigem Feststoff mit Flüssig- phasenanteilen und Flüssigphase mit feinkörnigem FeststoffanteilPII = phase separation stage II of coarse-grained solid with liquid phase fractions and liquid phase with fine-grained solid fraction
Pill = Phasentrennungsstufe III von Flüssigphase und Feststoffphase mit anhaftender Restflüssigphase PIV = Phasentrennungsstufe IV von Wasserphase und ÖlphasePill = phase separation stage III of liquid phase and solid phase with residual liquid phase adhering PIV = phase separation stage IV of water phase and oil phase
KI, KII = Kondensationsschritte I, II: Trennung von Gasphase und kondensierbarer FlüssigphaseKI, KII = condensation steps I, II: separation of gas phase and condensable liquid phase
GI = Gastrennung I von Reaktionsgas und WasserstoffGI = gas separation I of reaction gas and hydrogen
GII = Gastrennung II von Kohlendioxid und Wasserstoff WDV = WasserdampfvergasungGII = gas separation II of carbon dioxide and hydrogen WDV = water vapor gasification
CO-Konvertierung = Kohlenmonoxid-Konvertierung 2 ReaktorCO conversion = carbon monoxide conversion 2 reactor
3 Reaktionsraum3 reaction space
4, 5 Einlass4, 5 inlet
6 Auslass6 outlet
7 Auslass7 outlet
8 Fördereinrichtung8 conveyor
9 Rückführleitung9 return line
10 Auslassventileinrichtung10 exhaust valve device
11 Überdruck-Schutzeinrichtung11 Overpressure protection device
12 Fördereinrichtung12 conveyor
17 Auslass17 outlet
18 Heizung18 heating
20 Zerkleinerungseinrichtung20 crusher
21 , 22 Drehwelle21, 22 rotary shaft
23 Misch- und/oder Schereinrichtung23 mixing and / or shearing device
24 Wellenlager24 shaft bearings
25, 26, 27 Schabelemente25, 26, 27 scrapbooks
29 Flügel29 wings
30 Förderzone30 conveying zone
31 Phasentrennzone31 phase separation zone
32 Wandung32 wall
40 Sägeblätter40 saw blades
41 , 42 Antrieb41, 42 drive
50 Reaktor50 reactor
51 Einlass51 inlet
52, 53 Auslass52, 53 outlet
54 Einlass54 inlet
60 Reaktor60 reactor
61 Einlass61 inlet
62, 63 Auslass62, 63 outlet
70 Pyrolysereaktor70 pyrolysis reactor
71 Einlass71 inlet
80 Separator80 separator
81 , 83 Phasentrenner 84 Impfeinrichtung81, 83 phase separator 84 vaccine device
RS RohstoffRS commodity
Rl Rohstoff aus HolzRl raw material of wood
D DampfphaseD vapor phase
Dl , D2, D3 DampfphaseDl, D2, D3 vapor phase
Al, A2 AuslassproduktAl, A2 outlet product
AlS, A2S fester AuslassproduktanteilAlS, A2S solid outlet product fraction
AlL, A2L flüssiger Auslassproduktanteil AlLl dünnflüssiger AuslassproduktanteilAlL, A2L liquid outlet product fraction AlLl low-viscosity outlet product fraction
A1L2, A2L2 höherviskose dickflüssiger AuslassproduktanteilA1L2, A2L2 higher viscous viscous outlet product fraction
A2L2 + K geimpfter dickflüssiger AuslassproduktanteilA2L2 + K vaccinated viscous outlet product fraction
AS SumpfphaseAS swamp phase
S' rückgeführte Sumpfphase FR FörderrichtungS 'recirculated bottom phase FR conveying direction
K Katalysator K catalyst

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur thermochemischen Umsetzung von Edukten, die höhermolekulare organischen Komponenten enthalten, in niedermole- kulare Produkte, die organische, brennbare Produkte umfassen, a) in wenigstens zwei Stufen, wobei b) eine erste Stufe die folgenden Schritte umfasst: bl) Aufheizen wenigstens eines Eduktes zur Durchführung einer thermi- sehen Umwandlungsreaktion in einem Sumpf, wobei ein Reaktionsgemisch mit wenigstens zwei Phasen entsteht, b2) Abtrennen wenigstens einer ersten Phase und einer zweiten Phase aus dem Reaktionsgemisch, wobei die zweite Phase wenigstens ein niedermolekulares organisches und bei Raumtemperatur flüssiges, brennbares Produkt enthält, c) eine zweite Stufe die folgenden Schritte umfasst: cl) Aufheizen wenigstens eines Teils der ersten Phase des Reaktionsge- mischs aus der ersten Stufe zur Durchführung einer thermischen Umwandlungsreaktion, wobei wiederum ein Reaktionsgemisch mit wenigstens zwei Phasen entsteht und c2) Abtrennen einer Phase aus dem in der zweiten Stufe entstandenen Reaktionsgemisch, welche Phase wenigstens ein niedermolekulares organisches, brennbares Produkt enthält.1. A process for the thermochemical conversion of educts containing higher molecular weight organic components, into low molecular weight products comprising organic, combustible products, a) in at least two stages, wherein b) a first stage comprises the following steps: bl) heating at least b) separating at least one first phase and one second phase from the reaction mixture, wherein the second phase comprises at least one low molecular weight organic liquid and one liquid at room temperature, b) separating a starting material into a thermoprecipitation reaction in a sump; c) a second stage comprises the steps of: c1) heating at least a portion of the first phase of the reaction mixture from the first stage to effect a thermal conversion reaction, again forming a reaction mixture having at least two phases and c2) separating a phase from the in the second stage resulting reaction mixture, which phase contains at least one low molecular weight organic, combustible product.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Phase des in der ersten Stufe entstandenen Reaktionsgemischs und/oder eine zweite Phase des in der zweiten Stufe entstandenen Reaktionsgemischs eine im Wesentlichen feste Phase ist und vorzugsweise einer Pyrolysereaktion in der zweiten Stufe zugeführt wird.2. The method of claim 1, wherein the first phase of the reaction mixture formed in the first stage and / or a second phase of the reaction mixture formed in the second stage is a substantially solid phase and is preferably fed to a pyrolysis reaction in the second stage.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Phase(n), die wenigstens ein niedermolekulares organisches, brennbares Pro- dukt enthält, in der Gasphase oder Dampfphase aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt wird bzw. werden und anschließend vorzugsweise eine Stofftrennung, insbesondere durch Destillation, durchgeführt wird.3. The method of claim 1 or claim 2, wherein the phase (s) comprising at least one low molecular weight organic combustible product contains, is separated in the gas phase or vapor phase from the reaction mixture or are and then preferably a material separation, in particular by distillation, is performed.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Phase zumindest partiell in den Sumpf der ersten Stufe zurückgeführt wird und/oder bei dem die erste Phase des in der ersten Stufe entstandenen Reaktionsgemischs und/oder eine zweite Phase ei- nes in der zweiten Stufe, vorzugsweise in einem Sumpf, entstandenen Reaktionsgemischs eine im Wesentlichen flüssige Phase ist und in eine dünnflüssigere Teilphase und eine dickflüssigere Teilphase getrennt wird und bei dem die dünnflüssigere Teilphase der Reaktion der jeweiligen Stufe zurückgeführt wird.4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first phase is at least partially recycled to the sump of the first stage and / or in which the first phase of the resulting in the first stage reaction mixture and / or a second phase of a in the second stage, preferably formed in a sump, the reaction mixture is a substantially liquid phase and is separated into a thinner partial phase and a thicker partial phase and in which the thinner partial phase of the reaction of the respective stage is recycled.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem in der zweiten Stufe eine kata- lytische Reaktion durchgeführt wird und die dickflüssige Teilphase der zweiten Phase des in der zweiten Stufe entstandenen Reaktionsgemischs mit Katalysator(en) geimpft wird und dann der katalyti- sehen Reaktion der zweiten Stufe zurückgeführt wird.5. The method of claim 4, wherein in the second stage, a catalytic reaction is carried out and the viscous part phase of the second phase of the resulting in the second stage reaction mixture with catalyst (s) is seeded and then the catalytic reaction of the second see Stage is returned.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem die dickflüssigere Teilphase der ersten Phase des in der ersten Stufe entstandenen Reaktionsgemischs der Reaktion in der zweiten Stufe zugeführt wird.A process according to claim 4 or claim 5, wherein the thicker phase of the first phase of the first stage reaction mixture is fed to the second stage reaction.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Stufe und/oder die zweite Stufe eine Hydrierungsreaktion des Reaktionsgemischs umfasst.A process according to any one of the preceding claims, wherein the first stage and / or the second stage comprises a hydrogenation reaction of the reaction mixture.
8. Verfahren zur thermochemischen Umsetzung von Edukten, die höhermolekulare organischen Komponenten enthalten, in niedermolekulare Produkte, die organische, vorzugsweise bei Raumtemperatur flüssige, brennbare Produkte umfassen, insbesondere Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umsetzung der Edukte zumindest eine erste Stufe umfasst mit den Schritten: - ein erstes Aufheizen zur Durchführungen einer thermischen Umwandlungsreaktion in einer ersten Sumpfphase, wobei ein Reaktionsgemisch mit drei Phasen entsteht,8. A process for the thermochemical reaction of educts containing higher molecular weight organic components in low molecular weight products, the organic, preferably at room temperature liquid, combustible products, in particular process according to one of the preceding claims, wherein the reaction of the educts comprises at least a first stage comprising the steps of: a first heating to carry out a thermal conversion reaction in a first bottom phase, wherein a reaction mixture with three phases is formed,
- Durchführung einer ersten Hydrierungsreaktion des Reaktionsgemisches, - Durchführung einer ersten zumindest einstufigen Phasentrennung der drei Phasen, wobei eine erste Phase aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt wird, die zumindest eine die Umwandlungsreaktion katalysierende Komponente enthält, bei dem die erste Phase zumindest partiell in die erste Sumpfphase zurückgeführt wird, und eine zweite Phase aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt wird, welche zumindest einen Anteil an niedermolekularen organischen und bei Raumtemperatur flüssigen Produkten enthält, die frei oder arm sind an Heteroatomen.- Carrying out a first hydrogenation reaction of the reaction mixture, - Performing a first at least one stage phase separation of the three phases, wherein a first phase is separated from the reaction mixture containing at least one conversion reaction catalyzing component in which the first phase at least partially recycled to the first bottom phase is separated, and a second phase is separated from the reaction mixture, which contains at least a proportion of low molecular weight organic and liquid at room temperature products which are free or poor at heteroatoms.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Umsetzung der Edukte zumindest eine zweite Stufe umfasst mit den die Schritten: - ein zweites Aufheizen zur Durchführungen einer thermischen Umwandlungsreaktion in einer zweiten Sumpfphase, wobei ein Reak- tionsgemisch mit drei Phasen entsteht,9. The method of claim 8, wherein the reaction of the educts comprises at least a second stage comprising the steps of: a second heating for carrying out a thermal conversion reaction in a second bottom phase, wherein a reaction mixture with three phases is formed,
- Durchführung einer Hydrierungsreaktion des Reaktionsgemisches,Carrying out a hydrogenation reaction of the reaction mixture,
- Durchführung einer zweiten zumindest einstufigen Phasentrennung der drei Phasen, wobei eine zweite erste Phase aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt wird, die zumindest eine die Umwandlungsreak- tion katalysierende Komponente enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite erste Phase zumindest partiell in die zweite und/oder erste Sumpfphase zurückgeführt wird, und eine zweite zweite Phase aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt wird, welche zumindest einen Anteil an niedermolekularen organischen und bei Raumtemperatur flüssigen Produkten enthält, die frei oder arm sind an Heteroatomen.Carrying out a second at least one-stage phase separation of the three phases, a second first phase being separated from the reaction mixture which contains at least one component catalyzing the conversion reaction, characterized in that the second first phase at least partially into the second and / or first Is returned to the sump phase, and a second second phase is separated from the reaction mixture containing at least a proportion of low molecular weight organic and liquid at room temperature products which are free or poor in heteroatoms.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die thermische Umwandlungsreaktion bei10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the thermal conversion reaction in
- einer Temperatur aus einem Temperaturbereich von 200 °C bis 450 0C, vorzugsweise von 290 °C bis 410 °C, und bei - einem Druck aus dem Bereich von 10"1 bar bis 80 bar, vorzugsweise von 10"1 bar — 16 bar, besonders bevorzugt von 1 bar — 16 bar erfolgt, wobei: entweder die erste Stufe bei einer Beaufschlagung mit Druck aus dem Bereich von 10"1 bis 3 bar, und die zweite Stufe bei einer Beaufschlagung mit Druck aus dem- A temperature from a temperature range of 200 ° C to 450 0 C, preferably from 290 ° C to 410 ° C, and at - a pressure in the range of 10 "1 bar to 80 bar, preferably from 10 " 1 bar - 16 bar, more preferably from 1 bar to 16 bar, wherein: either the first stage when pressurized from the range of 10 "1 to 3 bar, and the second stage when pressurized from the
Bereich von über 1 bar bis zu 80 bar, vorzugsweise von über 1 bar bis zu 16 bar, durchgeführt wird, oder umgekehrt.Range of more than 1 bar up to 80 bar, preferably from about 1 bar up to 16 bar, is performed, or vice versa.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die thermische Umwandlungsreaktion ein Cracken oder ein destillatives Reinigen ist.A process according to any one of the preceding claims, wherein the thermal conversion reaction is cracking or distillative cleaning.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Stufe einen Pyrolyseschritt bei einer Temperatur bis zu12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the second stage a pyrolysis step at a temperature up to
1400 0C umfasst.1400 0 C includes.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden, bei dem eine Beaufschlagung mit Druck unter Zuführung einer reduzierenden Komponente durchgeführt wird. 13. The method according to any one of the preceding, in which a pressurization with the introduction of a reducing component is performed.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die ersten Stufe in einem ersten Reaktor (RI) und die zweite Stufe in einem zweiten Reaktor (RII) durchgeführt wird, wobei vorzugsweise die Reaktoren (RI, RII) nacheinander geschaltet sind.14. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first stage in a first reactor (RI) and the second stage in a second reactor (RII) is carried out, wherein preferably the reactors (RI, RII) are connected in series.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die erste abgetrennte Phase aus der ersten Stufe zumindest partiell in den zweiten Reaktor (RII) überführt wird.15. The method of claim 14, wherein the first separated phase from the first stage is at least partially transferred to the second reactor (RII).
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei einer Beaufschlagung mit Druck aus dem Bereich von 10"1 bis 1 bar eine Verweildauer zur Umsetzung der Reaktionsmischung 5 bis 30 Sekunden im Reaktor (I, II) beträgt und/oder bei einer Beaufschlagung mit Druck aus dem Bereich von über 1 bar bis zu 80 bar, vor- zugsweise von über 1 bar bis zu 16 bar, eine Verweildauer zur Umsetzung der Reaktionsmischung im Reaktor (I, II) bis zu 3 Minuten beträgt.16. The method according to any one of the preceding claims, wherein when exposed to pressure from the range of 10 "1 to 1 bar, a residence time for reacting the reaction mixture for 5 to 30 seconds in the reactor (I, II) and / or at an admission with pressure from the range of more than 1 bar up to 80 bar, preferably of more than 1 bar up to 16 bar, a residence time for reacting the reaction mixture in the reactor (I, II) is up to 3 minutes.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verweildauer produktorientiert gesteuert wird und/oder bei dem während der Dauer des Verweilens zumindest einer der Schritte Strippen von leichtflüchtigen Komponenten oder Destillieren erfolgt.17. The method according to any one of the preceding claims, wherein the residence time is controlled product-oriented and / or in which during the period of residence of at least one of the steps stripping of volatile components or distilling takes place.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem zumindest ein Gas durch das Reaktionsgemisch in dem Reaktor (RI, RII) hindurchgeleitet wird, so dass das Strippen bewirkt wird, und/oder bei dem der Reaktor (RI5RII) als Verdampfer bei einer Siedetemperatur des Reaktionsgemischesbetrieben wird, so dass das Destillieren erfolgt.18. The process according to claim 17, wherein at least one gas is passed through the reaction mixture in the reactor (RI, RII) to effect stripping and / or at which the reactor (RI 5 RII) as evaporator at a boiling temperature of the reaction mixture is operated so that the distillation takes place.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Reaktionsgemische, insbesondere in den Reaktoren (RI, RII) und/oder während der Reaktion, einer mechanischen und/oder durch turbulente Strömungszustände herbeigeführten Durchmischung unterzogen werden.19. The method according to any one of the preceding claims, wherein the reaction mixtures, in particular in the reactors (RI, RII) and / or subjected during the reaction, a mechanical and / or caused by turbulent flow conditions mixing.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das oder die Edukt(e) vor der Durchführung der ersten Stufe einer Vorbehandlung unterzogen werden, wobei die Vorbehandlung der Eduk- te zumindest einen der Schritte:20. The process as claimed in one of the preceding claims, in which the educt (s) are subjected to a pretreatment before the first stage is carried out, wherein the pretreatment of the edducts comprises at least one of the steps:
- Zerkleinern, - Abtrennen von Metall (M),- crushing, - separating metal (M),
- Abtrennen von Wasser (W), Trocknen,Separating water (W), drying,
- und Vorwärmen umfasst.- and preheating includes.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Stufe von einer Kondensation mit zumindest einem Kondensationsschritt (KI, KII) gefolgt wird, wobei kondensierbare Produkte kondensiert werden und wobei ein Reaktionsgas (G) und Wasserstoff (H2) frei werden.A process according to any one of the preceding claims wherein the second stage is followed by condensation with at least one condensation step (KI, KII) condensing condensable products and releasing a reaction gas (G) and hydrogen (H 2 ).
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Druck im Bereich von über 1 bar bis zu 80 bar, vorzugsweise von über 1 bar bis zu 16 bar, erzeugt wird mittels oder in einem Gas, umfassend Wasserstoff (H2), wobei der Wasserstoff vorzugsweise zumindest partiell aus dem Prozess stammt, und/oder Kohlenmono- xid (CO), das in die Reaktoren (RI5RII) eingebracht wird.22. The method according to any one of the preceding claims, wherein the pressure in the range of about 1 bar to 80 bar, preferably from about 1 bar to 16 bar, is produced by means of or in a gas comprising hydrogen (H 2 ), wherein the hydrogen is preferably at least partially derived from the process, and / or carbon monoxide (CO), which is introduced into the reactors (RI 5 RII).
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die in einem ersten Phasentrennungsschritt (PI) der ersten Phasentren- nung abgetrennte Phase, welche zumindest einen Anteil an niedermolekularen organischen und bei Raumtemperatur flüssigen Produkte enthält, die frei oder arm sind an Heteroatomen, einer Schrittab- folge mit einer Kondensation (KI), der Destillation, einer Kondensation (KII) und einer Phasentrennung einer vierten Phasentrennungsstufe (PIV) unterzogen wird.23. The method according to any one of the preceding claims, wherein the phase separated in a first phase separation step (PI) of the first phase separation, which contains at least a proportion of low molecular weight organic and liquid at room temperature products which are free or poor in heteroatoms, a Schrittab- followed by condensation (KI), distillation, condensation (KII) and phase separation of a fourth phase separation step (PIV).
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die abgetrennte Phase, welche die schwerflüchtige Produktfraktion um- fasst, einer Schrittabfolge mit einer Phasentrennung einer zweiten Phasentrennungsstufe (PII) und einer dritten Phasentrennungsstufe (Pill) in dieser Abfolge unterzogen wird, wobei eine angereicherte Feststofffraktion entsteht, die einer Trocknung unterzogen wird, und wobei ein entstehender Schwerölanteil (SO) in zumindest eine Stufe oder einen Reaktor (RI, RII) zurückgegeben wird.24. A process according to any one of the preceding claims, wherein the separated phase comprising the low volatility product fraction is subjected to a step sequence with a phase separation of a second phase separation stage (PII) and a third phase separation stage (Pill) in this sequence, one enriched one Solid fraction is formed, which is subjected to drying, and wherein a resulting heavy oil fraction (SO) in at least one stage or a reactor (RI, RII) is returned.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Durchführung zumindest eines der Schritte des Aufheizens, des25. The method according to any one of the preceding claims, wherein for carrying out at least one of the steps of heating, the
Vorwärmens und des Trocknens Energie benötigt wird, wobei diese Energie durch eine Verbrennung des Reaktionsgases (G) bereitgestellt wird und/oder bei dem zu seiner Durchführung elektrische Energie benötigt wird, wobei diese elektrische Energie durch den mit Druck beaufschlagten Reaktor (RI5RII), der mit einer Expansionsanlage in Verbindung steht, über die eine Turbine zur Stromerzeugung betrieben wird, dem Verfahren zugeführt wird.Preheating and drying energy is required, this energy being provided by combustion of the reaction gas (G) and / or electrical energy required to carry it out, this electric energy passing through the pressurized reactor (RI 5 RII), which is connected to an expansion plant, via which a turbine is operated to generate electricity, is fed to the process.
26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das den Schritt der Zuführung zumindest einer der Substanzen26. The method according to any one of the preceding claims, comprising the step of supplying at least one of the substances
- Crackkatalysatoren,Cracking catalysts,
- Hydrierkatalysatoren- Hydrogenation catalysts
- alkalische Chemikalien, vorzugsweise Calciumhydroxid, in zumindest einen der Reaktoren (RI, RII) umfasst.- Alkaline chemicals, preferably calcium hydroxide, in at least one of the reactors (RI, RII) comprises.
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das oder die Edukt(e) wenigstens einen der nachfolgenden Rohstoffe - kontaminiertes oder nicht kontaminiertes Holz,27. The method according to any one of the preceding claims, wherein the or the reactant (s) at least one of the following raw materials - contaminated or uncontaminated wood,
- Holzabfall,- wood waste,
- Biomasse und/oder Energiepflanzen,- biomass and / or energy crops,
- Pflanzenöle und/oder Tierfette, - Altöl, Schweröl, Bitumen und/oder Teer,Vegetable oils and / or animal fats, waste oil, heavy oil, bitumen and / or tar,
- halogenhaltiger oder nichthalogenhaltiger Kunststoffabfall,- halogenated or non-halogenated waste plastic,
- Elektrokabelabfall,- electrical cable waste,
- Autoreifenabfall,- car tire waste,
- Hausmüll, - Schlamm, insbesondere Klärschlamm und Baggerschlamm, Schlick, insbesondere Hafenschlick,- domestic waste, - sludge, in particular sewage sludge and dredging sludge, silt, in particular harbor sludge,
- Tier- und/oder Knochenmehl umfassen.- include animal and / or bone meal.
28. Verwendung eines niedermolekularen, organischen, bei Raumtemperatur flüssigen, brennbare Produktes, das Produktgas (G) und/oder Wasserstoff (H2) als Brennstoff zur Verbrennung in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass das niedermolekulare, organische, bei Raumtemperatur flüssige, brennbare Produkt nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 27 erzeugt worden ist.28. Use of a low molecular weight, organic, liquid at room temperature, flammable product, the product gas (G) and / or hydrogen (H 2 ) as fuel for combustion in a fuel cell for generating thermal and electrical energy, characterized in that the low molecular weight, organic, liquid at room temperature, flammable product has been produced by a process according to claims 1 to 27.
29. Vorrichtung, insbesondere für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüchen 1 bis 27, zur thermochemischen Um- Wandlung von Edukten, die höhermolekulare organischen Komponenten umfassen, in niedermolekulare Produkte, die organische, vorzugsweise bei Raumtemperatur flüssige, brennbare Produkte umfassen, wobei die Vorrichtung umfasst:29. Device, in particular for carrying out a method according to one of claims 1 to 27, for the thermochemical conversion of educts comprising higher molecular weight organic components in low molecular weight products which comprise organic, preferably liquid at room temperature, flammable products, wherein the Device comprises:
- zumindest zwei beheizbare Reaktoren (RI, RII) mit zumindest je einem Einlass und einen Auslass zum Beschicken und Entleeren, wobei zumindest einer der Reaktoren (RI, RII) unter Druck setzbar ist, - zumindest ein Fördersystem zur Förderung von Edukt in den Reaktor (RI),at least two heatable reactors (RI, RII) with at least one inlet each and an outlet for charging and discharging, wherein at least one of the reactors (RI, RII) can be pressurized, at least one conveying system for conveying starting material into the reactor (RI),
- zumindest eine Phasentrenneinrichtung zur Trennung von Reaktionsphasen, bei dem eine erste Phasentrenneinrichtung an dem ersten Reaktor (I) angeordnet ist, und die Reaktoren (RI, RII) miteinander in fluidischer Verbindung stehen, so dass eine erste abgetrennte Reaktionsphase, die schwer- flüchtige Komponenten enthält, von dem ersten Reaktor (RI) in eine zweite Phasentrenneinrichtung zur Abtrennung von katalysierendeat least one phase separation device for the separation of reaction phases, in which a first phase separation device is arranged on the first reactor (I), and the reactors (RI, RII) are in fluid communication with each other, so that a first separated reaction phase, the difficultly volatile components contains, from the first reactor (RI) in a second phase separation device for the separation of catalyzing
Komponenten enthaltende Schwerölanteilen überführbar ist, wobei die zweite Phasentrenneinrichtung mit einer Vorrichtung zur Kreislaufführung der Schwerölanteile in den Reaktor (RI) ausgestattet ist, und wobei eine zweite abgetrennte Reaktionsphase, die leichtflüchti- ge Komponenten enthält, von dem ersten Reaktor (RI) in den zweiten Reaktor (RII) überführbar ist.Component containing heavy oil fractions is transferable, wherein the second phase separator is equipped with a device for recycling the heavy oil fractions in the reactor (RI), and wherein a second separated reaction phase containing volatile components, from the first reactor (RI) in the second Reactor (RII) is convertible.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei dem dem zweiten Reaktor (RII) zumindest eine Kondensationseinrichtung (KI, KII) nachgeschaltet ist.30. The apparatus of claim 29, wherein the second reactor (RII) at least one condensation device (KI, KII) is connected downstream.
31. Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, bei dem die erste Phasen- trenneinrichtungen in fluidischer Verbindung steht mit einer zweiten, dritten und vierten Phasentrenneinrichtung, wobei die erste Phasentrenneinrichtung vorzugsweise eine Destille, ein Stripper oder eine Rektifikationskolonne umfasst, die zweite Phasentrenneinrichtung und/oder die dritte Phasentrenneinrichtung eine Feststofftrenneinrichtung, vorzugsweise ein Fliehkraftabscheider wie ein Zyklon, oder eine Sedimentationsvorrichtung ist, und wobei die vierte Phasentrenneinrichtung eine Flüssig-Flüssig- Trenneinrichtung ist. 31. The apparatus of claim 29 or 30, wherein the first phase separation means is in fluid communication with a second, third and fourth phase separation means, wherein the first phase separation means preferably comprises a still, a stripper or a rectification column, the second phase separation means and / or the third phase separator is a solid separator, preferably a centrifugal separator such as a cyclone, or a sedimentation apparatus, and wherein the fourth phase separator is a liquid-liquid separator.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31 , bei dem zumindest einer der unter Druck setzbaren Reaktoren (RI, RII) mit zumindest einer Druckregulierung, vorzugsweise einem Kompressor oder einer Expansionsanlage, ausgestattet ist, wobei vorzugsweise die32. Device according to one of claims 29 to 31, wherein at least one of the pressurizable reactors (RI, RII) is equipped with at least one pressure regulator, preferably a compressor or an expansion plant, wherein preferably the
Druckregulierung, insbesondere Expansionsanlage, mit einer Turbine zur Gewinnung von elektrischem Strom in Verbindung steht.Pressure regulation, in particular expansion plant, in connection with a turbine for the production of electric power.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, bei dem der Reak- tor (RIJRII) ein Rührkessel oder Rotationsreaktor ist mit zumindest einer Einrichtung zur Temperatureinstellung und zur Druckregelung ist.33. Device according to one of claims 29 to 32, wherein the reactor (RI J RII) is a stirred tank or rotary reactor with at least one device for temperature adjustment and for pressure control.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 33, bei dem der Reak- tor (RI5RII) in direkter oder indirekter Verbindung zu einer Gasbrennvorrichtung steht, so dass bei der zumindest einen Phasentrennung abgetrenntes brennbares Gas der Gasbrennvorrichtung zur Gewinnung von Brennenergie zugeführt werden kann.34. Device according to one of claims 29 to 33, wherein the reactor (RI 5 RII) is in direct or indirect connection to a gas burning device, so that in the at least one phase separation separated combustible gas of the gas burning device are supplied to obtain burning energy can.
35. Vorrichtung zur thermochemischen Umwandlung von Edukten, die höhermolekulare organischen Komponenten umfassen, in niedermolekulare Produkte, die organische bei Raumtemperatur flüssige, brennbare Produkte, insbesondere organische Kraftstoffe, umfassen, insbesondere Vorrichtung oder als Reaktor für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 34 und/oder zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 27, aufweisend: a) wenigstens einen Reaktionsraum zum Durchführen einer zumindest partiellen thermischen Zersetzungsreaktion oder Crackreaktion wenigstens eines Edukts, b) wenigstens einen Einlass zum Einbringen des oder der Edukte(s) in den Reaktionsraum, c) wenigstens einen Auslass zum Ausbringen der niedermolekularen Produkte aus dem Reaktionsraum d) wenigstens eine innerhalb des Reaktionsraumes angeordnete Zerkleinerungsvorrichtung zum mechanischen Zerkleinern des oder der Edukte(s)35. An apparatus for the thermochemical conversion of educts comprising higher molecular weight organic components, in low molecular weight products comprising organic liquid at room temperature, flammable products, in particular organic fuels, in particular apparatus or as a reactor for a device according to any one of claims 29 to 34 and or for carrying out a method according to one of claims 1 to 27, comprising: a) at least one reaction space for carrying out an at least partial thermal decomposition reaction or cracking reaction of at least one educt, b) at least one inlet for introducing the educt (s) into the reaction chamber, c) at least one outlet for discharging the low-molecular-weight products from the reaction space d) at least one comminution device arranged inside the reaction space for mechanically comminuting the educt (s)
wenigstens eine innerhalb des Reaktionsraumes angeordnete Misch- und/oder Schereinrichtung, die vorzugsweise wenigstens einen Misch- und/oder Scherflügel aufweist, zum Mischen und/oder Ho- mogenisieren des oder der Edukte(s) und/oder eines Reaktions- und/oder Phasengemischs im Reaktionsraum und/oder wenigstens eine, vorzugsweise rotierbare oder rotierende Schabelemente aufweisende, Schabeinrichtung zum Abschaben oder Reinigen von Oberflächen einer Wandung des Reaktionsraumes.at least one mixing and / or shearing device arranged within the reaction space, which preferably has at least one mixing and / or shear blade, for mixing and / or homogenizing the educt (s) and / or a reaction mixture and / or phase mixture in the reaction space and / or at least one, preferably rotatable or rotating scraping elements having scraper for scraping or cleaning surfaces of a wall of the reaction space.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der wenigstens eine Zerkleinerungseinrichtung im Bereich des Einlasses für die Edukte angeordnet ist.36. Apparatus according to claim 35, wherein at least one comminution device is arranged in the region of the inlet for the educts.
37. Vorrichtung nach Anspruch 35 oder Anspruch 36, bei der die Zerkleinerungseinrichtung wenigstens eine Schneideinrichtung oder Fräseinrichtung oder Sägeeinrichtung umfasst.37. Apparatus according to claim 35 or claim 36, wherein the shredding device comprises at least one cutting device or milling device or sawing device.
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, bei der die Schneideinrichtung oder Fräseinrichtung oder Sägeeinrichtung wenigstens ein und vorzugsweise mehrere nebeneinander angeordnete jeweils um einen gemeinsame Drehachse rotierbare oder rotierende Schneid-, Säge- oder Fräselement(e) umfasst, dessen oder deren Umfangsseiten mit Schneid-, Säge- oder Fräszähnen versehen ist bzw. sind und vorzugsweise bei der Rotation abschnittsweise dem wenigstens einen Einlass zugewandt sind. 38. The apparatus of claim 37, wherein the cutting device or milling device or sawing at least one and preferably a plurality of juxtaposed about a common axis of rotation rotatable or rotating cutting, sawing or milling element (s) whose or its peripheral sides with cutting, Sawing or milling teeth is or are provided and are preferably in sections facing the at least one inlet during rotation.
39. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einer in dem Reaktionsraum, vorzugsweise in einer Förderzone des Reaktionsraumes, angeordneten Fördereinrichtung, insbesondere einer Förderschnecke, zum Fördern des oder der Edukte(s) und/oder des oder der daraus entstehenden Reaktionsprodukte(s) und ggf. weiterer Substanzen in dem Reaktionsraum von dem wenigstens einen Einlass in eine Phasentrennzone des Reaktionsraumes, wobei vorzugsweise der wenigstens eine Auslass zum Ausbrin- gen der niedermolekularen Produkte aus dem Reaktionsraum an der39. Device according to one of the preceding claims with at least one in the reaction chamber, preferably in a conveying zone of the reaction chamber, arranged conveying device, in particular a screw conveyor, for conveying the educts (s) and / or of the resulting reaction products or (s) and optionally further substances in the reaction space from the at least one inlet into a phase separation zone of the reaction space, wherein preferably the at least one outlet for discharging the low molecular weight products from the reaction space at the
Phasentrennzone vorgesehen ist.Phase separation zone is provided.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, bei der eine gemeinsame Drehachse und vorzugsweise auch eine gemeinsame und/oder von einem ge- meinsamen Antrieb angetriebene oder antreibbare Drehwelle für die40. Apparatus according to claim 39, wherein a common axis of rotation and preferably also a common and / or driven by a common drive or driven rotary shaft for the
Fördereinrichtung, insbesondere Förderschnecke, und die Zerkleinerungseinrichtung vorgesehen ist bzw. sind.Conveying device, in particular screw conveyor, and the shredding device is or are provided.
41. Vorrichtung nach Anspruch 39 oder Anspruch 40, bei der wenigs- tens eine Misch- und/oder Schereinrichtung in Förderrichtung der41. Apparatus according to claim 39 or claim 40, wherein at least one mixing and / or shearing device in the conveying direction of
Fördereinrichtung nach dem oder stromabwärts zu dem wenigstens einen Einlass für die Edukte und/oder in der Phasentrennzone oder an einem Übergangsbereich zwischen Förderzone und Phasentrennzone angeordnet ist.Conveyor is arranged after or downstream of the at least one inlet for the educts and / or in the phase separation zone or at a transition region between the conveying zone and phase separation zone.
42. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einem weiteren, vorzugsweise in der Phasentrennzone vorgesehenen, Auslass des Reaktionsraumes, wobei vorzugsweise der Auslass für ein in dem Reaktionsraum vorhandenen Sumpf- oder Reakti- ons- und/oder Phasengemisch oder zum Ausleiten schwerer und/oder fester Komponenten und/oder Rückstände vorgesehen ist und/oder unten angeordnet ist. 42. Device according to one of the preceding claims with at least one further, preferably provided in the phase separation zone, outlet of the reaction space, wherein preferably the outlet for a present in the reaction space swamp or reaction ons and / or phase mixture or for discharging heavy and / or solid components and / or residues is provided and / or arranged below.
43. Vorrichtung nach Anspruch 42 mit wenigstens einer mit dem Auslass verbundenen Rückführleitung zum Rückführen des Sumpf- und oder Reaktions- und/oder Phasengemisches in die Förderzone, vorzugs- weise zu wenigstens einem Einlass stromaufwärts zu dem oder den43. Apparatus according to claim 42, having at least one return line connected to the outlet for returning the bottoms and / or reaction and / or phase mixture into the delivery zone, preferably to at least one inlet upstream of the one or more
Einlass bzw. Einlassen für das oder die Edukt(e), wobei vorzugsweise in der Rückführleitung wenigstens eine Heizeinrichtung und/oder wenigstens eine Fördereinrichtung zum Heizen bzw. Fördern des Sumpf- und oder Reaktions- und/oder Phasengemisches vorgesehen ist.Inlet or inlet for the educt (s), wherein preferably in the return line at least one heating device and / or at least one conveyor for heating or conveying the bottom and / or reaction and / or phase mixture is provided.
44. Vorrichtung nach Anspruch 42, bei der wenigstens ein Auslass mit einer Phasentrenneinrichtung verbunden ist, die wiederum vorzugsweise mit einem Einlass eines weiteren Reaktionsraumes oder Reak- tors verbunden ist..44. Apparatus according to claim 42, wherein at least one outlet is connected to a phase separation device, which in turn is preferably connected to an inlet of a further reaction space or reactor.
45. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schabeinrichtung zum Abschaben oder Reinigen von Oberflächen der Wandung des Reaktionsraumes in der Phasentrennzone und vor- zugsweise im Bereich um den wenigstens einen oder jeden Auslass in dem Reaktionsraum oder der Phasentrennzone ausgebildet ist.45. Device according to one of the preceding claims, wherein the scraper for scrapping or cleaning surfaces of the wall of the reaction space in the phase separation zone and preferably in the region around the at least one or each outlet in the reaction space or the phase separation zone is formed.
46. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine gemeinsame Drehachse und vorzugsweise auch eine gemeinsame und/oder von einem gemeinsamen Antrieb angetriebene oder antreibbare Drehwelle für die Schabeinrichtung oder die Schabelemente und wenigstens eine Misch- und/oder Schereinrichtung oder Misch- und/oder Scherflügel vorgesehen ist bzw. sind.46. Device according to one of the preceding claims, wherein a common axis of rotation and preferably also a common and / or by a common drive driven or driven rotary shaft for the scraper or scraper elements and at least one mixing and / or shearing or mixing and / or or shear wing is or are provided.
47. Vorrichtung nach Anspruch 40 und Anspruch 46, bei der die beiden Drehwellen koaxial aneinander relativ zueinander drehbar gelagert sind und/oder eine gemeinsame Drehachse für die Fördereinrichtung und die Zerkleinerungseinrichtung, für die Schabeinrichtung oder die Schabelemente und für die wenigstens eine Misch- und/oder Schereinrichtung vorgesehen ist bzw. sind. 47. Apparatus according to claim 40 and claim 46, wherein the two rotary shafts are rotatably mounted coaxially relative to one another relative to each other and / or a common axis of rotation for the conveyor and the shredding device is or are provided for the scraper or the scraping elements and for the at least one mixing and / or shearing device.
EP06754555A 2005-07-25 2006-06-24 Mehtod and device for thermochemically converting organic substances into a high-quality organic product Withdrawn EP1910499A2 (en)

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