JP2012522629A - 再生可能原料および有機残留物の水熱炭化方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1)無機ブレンステッド酸:HNO3、HCl
2)有機ブレンステッド酸:ギ酸、酢酸、クエン酸、NH4Cl
3)ルイス酸、例えば金属ハロゲン化物:FeCl3、FeBr3、AlCl3、AlBr3
4)一般に金属ハロゲン化物および金属酸化物:NaCl、FeO、Fe2O3、LiCl、[Fe(NH4)2(SO4)2]・6H2O
5)酸性ゼオライト、例えばH−ZSM−5
・圧力容器内に供給原料を送り込むための圧力上昇
・プロセスに条件付けられた温度および圧力の水浴中での供給原料の炭素濃度の上昇
・炭化した生成物の機械的脱水および熱乾燥、および場合によっては
・原料と共に運び込まれた植物性栄養素および水の回収
が提案される。
・第1のプロセス段階、すなわち圧力上昇段階において、供給原料の圧力が、実質的に低くとも5barの後続のプロセス段階の圧力に高められ、
・供給原料が第2のプロセス段階、すなわち炭化段階において、低くとも5barの圧力および最高で水の沸騰温度で、実質的に水および二酸化炭素を切り離しながら、炭化した生成物に変換され、
・供給原料は第2のプロセス段階ではとりわけ重力により、ほぼ鉛直方向に移送され、
・(変換中の)供給原料は、好ましくは第2のプロセス段階の上の部分/領域内で、第2のプロセス段階から水を取り出して一部を第2のプロセス段階に再供給することにより、好ましくは反応物投入と生成物吐出の間の主流方向に対してほぼ垂直に循環され、
・(変換中の)供給原料は、第2のプロセス段階の下の部分/領域内で、水を含有する沈降物として堆積し、
・沈降物の最低高さは、沈降により固体含有率が少なくとも15%、好ましくは少なくとも20%、さらに好ましくは少なくとも25%、特に好ましくは少なくとも30%に上昇するように選択され、沈降層の最大高さは、静圧により固い底部固形物が形成されないように、例えば循環でおよび/または加熱蒸気を付加することで制限され、
・第2のプロセス段階での水位の充填高さは、水の取出しおよびこのプロセス段階への供給により調節され、
・第2のプロセス段階で生じる永久気体は、含まれている水蒸気部分の少なくとも一部が比較的冷たい供給原料の表面で凝縮され、その後にはじめて永久気体がプロセスから排出されるように、第2のプロセス段階に入る供給原料に逆流して第2のプロセス段階から排出され、かつ
・沈降物は、第2のプロセス段階から吐出され、基本的に水の蒸発により、実質的に第3のプロセス段階、すなわち蒸気雰囲気中で乾燥を行う蒸気加熱乾燥段階の温度レベルに冷却され、そして第3のプロセス段階に送られ、含水率が30質量%未満、好ましくは20質量%未満、特に15質量%未満の市販できる品質の炭の形で最終生成物として第3のプロセス段階から吐出される。
・第1のプロセス段階で、供給原料の圧力を、実質的に低くとも5barの後続のプロセス段階の圧力に高め、供給原料の温度を、供給原料と、供給原料の温度に比べて熱い後続のプロセス段階からの排水および/または排蒸気との混合により高め、有用には、第2のプロセス段階に供給原料を送り込む前に、最大で予め供給されたのと同量の水を再び供給原料から分離し、有用には、分離した水から、最大で、供給原料の炭化および乾燥を行う後続のプロセス段階で分離される、または分離されたのと同量の水をプロセスから排出し、さらに、第1のプロセス段階に供給された水を、循環水としてプロセス内に留め続ける、
・供給原料を、第2のプロセス段階で、このプロセス段階自体で発生する水蒸気の凝縮により予熱し、化学的に可溶化し、最高で沸騰条件下で稼働する低くとも5barの圧力の水浴中で、化学的に結合した水および二酸化炭素を切り離すことにより、炭化した生成物に変換する、
・供給原料を第2のプロセス段階でとりわけ重力により、ほぼ鉛直方向に移送する、
・(変換中の)供給原料を、好ましくは第2のプロセス段階の上の部分/領域内で、第2のプロセス段階から水を取り出して一部を第2のプロセス段階に再供給することにより、好ましくは反応物投入と生成物吐出の間の主流方向に対してほぼ垂直に循環させる、
・(変換中の)供給原料を、第2のプロセス段階の下の部分内で、水を含有する沈降物として堆積させる、
・沈降物の最低高さを、沈降により固体含有率が少なくとも15%、好ましくは少なくとも20%、さらに好ましくは少なくとも25%、特に好ましくは少なくとも30%に上昇するように選択し、沈降層の最大高さを、静圧により固い底部固形物が形成されないように、例えば循環でおよび/または加熱蒸気を付加することで制限する、
・第2のプロセス段階での水位の充填高さを、水の取出しおよびこのプロセス段階への供給により調節する、
・第2のプロセス段階の熱平衡を、循環のために取り出される水の再供給により維持し、この水は、第2のプロセス段階で熱が必要な場合には有利には第2のプロセス段階の外で加熱蒸気を付加することで加熱することができ、かつ/または熱交換器内で加熱することができ、さらに熱平衡を、必要であれば蒸気の取出しにより、および必要であれば、このプロセス段階で凝縮する外部からの加熱蒸気の付加により維持する、
・第2のプロセス段階で発生し、凝縮されない、第2のプロセス段階からの余分な蒸気を取り出し、第2のプロセス段階に再供給し、かつ/または好ましくは別のプロセス段階で利用するために第2のプロセス段階から排出する、
・第2のプロセス段階で生じる永久気体を、含まれている水蒸気部分の少なくとも一部が比較的冷たい供給原料の表面で凝縮され、その後にはじめて永久気体がプロセスから排出されるように、第2のプロセス段階に入る供給原料に逆流させて第2のプロセス段階から排出する、
・沈降物を、第2のプロセス段階から吐出し、基本的に水の蒸発により、実質的に第3のプロセス段階、すなわち蒸気雰囲気中で乾燥を行う蒸気加熱乾燥段階の温度レベルに冷却し、そして第3のプロセス段階に送り、含水率が30質量%未満、好ましくは20質量%未満、特に15質量%未満の市販できる品質の炭の形で最終生成物として第3のプロセス段階から吐出する。
・第1の工程で、緩和前の調節運転中は水蒸気および永久気体から成る混合物で満たされている低圧ロックを、気体蒸気混合物の水蒸気部分を少なくとも一部、(圧力上昇のために準備された)供給原料の表面で凝縮させることができるように、かつ残りの気相を別に獲得してプロセスから排出できるように、大気圧に対して緩和し、
・第2の工程で、そのように予熱された供給原料を、開かれた低圧ロック内に、好ましくは重力により搬送し、その後、低圧ロックを封鎖し、
・第3の工程で、緩和前の調節運転中は水蒸気および永久気体から成る混合物で満たされている高圧ロックを、気体蒸気混合物の水蒸気部分が少なくとも一部、低圧ロック内にある供給原料の表面で凝縮されるように、低圧ロックへと緩和し、
・第4の工程で、そのように圧力をかけられ、さらに予熱された供給原料を、開かれた低圧ロックから開かれた高圧ロックに、好ましくは重力により搬送し、その後、高圧ロックを封鎖し、
・第5の工程で、高圧ロックに、第2のプロセス段階からの気体蒸気混合物を、この気体蒸気混合物の水蒸気部分が少なくとも一部、高圧ロック内にある供給原料の表面で凝縮され、供給原料に実質的に第2のプロセス段階の圧力がかかるように流し、かつ
・第6の工程で、そのように圧力をかけられ、さらに予熱された供給原料を、開かれた高圧ロックから第2のプロセス段階に、好ましくは重力により搬送し、その後、高圧ロックを封鎖する。
・第1のプロセスステップ、すなわち予熱ステップでは、供給原料が、第2のプロセス段階自体で発生する水蒸気の凝縮および場合によっては加熱蒸気の付加により、かつ/または第2のプロセス段階から取り出され、第2のプロセス段階の外で温められて返送される水の付加により、特に、必要な反応温度に予熱され、または温められ、
・第2のプロセスステップ、すなわち炭化ステップでは、有利には、第1のプロセスステップで達成された温度、特に反応温度が維持され、供給原料は、最高で沸騰条件下で稼働する低くとも5barの圧力の水浴中で、主に化学的に結合した水および二酸化炭素を切り離すことにより反応し、かつ
・第3のプロセスステップ、すなわち沈降ステップでは、(反応している)供給原料が、水を含有する沈降物として堆積し、または堆積させられる。
・第2のプロセス段階から取り出され、第2のプロセス段階に再供給されない水の温度低下の際に獲得される蒸気、
・機械的脱水が行われない、または周囲圧力で行われる場合の、第2のプロセス段階から排出された、水を含有する沈降物の温度低下の際に獲得される蒸気、
・機械的脱水が第2のプロセス段階の圧力レベルで行われる場合の、第2のプロセス段階から排出された沈降物の機械的脱水の際に獲得された濾過液と凝集物の別々の温度低下の際に獲得される蒸気、および
・蒸気雰囲気中での乾燥の際に獲得される蒸気
と理解される。
2 搬送機構
3 供給ホッパ/マッシュ容器
4 スラリーポンプ
5 水分離器
6 ばら物供給
7 第2のプロセス段階の第1のプロセスステップ
8 供給原料のばら物層
9 第2のプロセス段階の第2のプロセスステップ
10 第2のプロセス段階の第3のプロセスステップ
11 フラッシュ緩和を伴う沈降物吐出
12 第2のプロセス段階からの循環プロセス水
13 第2のプロセス段階から取り出された蒸気
14 蒸気付加
15 永久気体放出
16 第2のプロセス段階からのプロセス水
17 沈降物緩和からのフラッシュ蒸気
18 乾燥からの蒸気
19 恒温のフラッシュ蒸気洗浄
20 圧縮器Iの前の低圧蒸気
21 圧縮器I
22 膨張器
23 凝縮器
24 蒸気冷却器
25 乾燥用加熱蒸気
26 圧縮器II
27 第2のプロセス段階を加熱するための加熱蒸気
28 乾燥からの加熱蒸気凝縮液
29 蒸気洗浄からのプロセス内排水
30 水分離からのプロセス内排水
31 濃縮からの排気
32 肥料
33 プロセス水濃縮
34 蒸気雰囲気中での乾燥器
35 生成物吐出部
36 恒温洗浄用の加熱蒸気凝縮液
37 第1のプロセス段階の前の供給原料
38 エアロック
39 第2のプロセス段階での水浴
40 第2のプロセス段階での沈降物
41 固体せき止め部を備えた取出装置
42 プロセス水の緩和からのフラッシュ蒸気
43 緩和されたプロセス水
44 蒸気加熱された面
45 予熱のための排蒸気
46 機械的脱水からのプロセス内排水
47 機械的脱水
48 供給原料搬送のための循環水
49 吐出されるプロセス水
50 沈降物緩和からの中圧フラッシュ蒸気
51 沈降物緩和からの低圧フラッシュ蒸気
52 機械的脱水後の炭化した供給原料
53 低圧蒸気
54 第2のプロセス段階からの加熱蒸気凝縮液
55 膨張からの蒸気凝縮液
56 熱交換器/低圧蒸発器
57 液体・蒸気分離器
58 熱交換器/中圧蒸発器
59 低圧蒸気凝縮液
60 中圧蒸気凝縮液
61 高圧ポンプおよびロータリーバルブ
Claims (11)
- バイオマスを水熱炭化するための連続的な方法であって、
・第1のプロセス段階、すなわち圧力上昇段階で、供給原料の圧力が、実質的に低くとも5barの後続のプロセス段階の圧力に高められ、
・供給原料が第2のプロセス段階、すなわち炭化段階で、低くとも5barの圧力および最高で水の沸騰温度で、実質的に水および二酸化炭素を切り離しながら、炭化した生成物に変換され、
・供給原料が前記第2のプロセス段階で、とりわけ重力によりほぼ鉛直方向に移送され、
・供給原料が、前記第2のプロセス段階の上の領域内で、前記第2のプロセス段階から水を取り出して一部を前記第2のプロセス段階に再供給することにより循環され、
・供給原料が、前記第2のプロセス段階の下の部分内で、水を含有する沈降物として堆積され、
・沈降物の最低高さが、沈降により固体含有率が少なくとも15%、好ましくは少なくとも20%、さらに好ましくは少なくとも25%、特に好ましくは少なくとも30%に上昇するように選択され、沈降層の最大高さが、静圧により固い底部固形物が形成されないように制限され、
・前記第2のプロセス段階での水位の充填高さが、水の取出しおよびこのプロセス段階への供給により調節され、
・前記第2のプロセス段階で生じる永久気体が、含まれている水蒸気部分の少なくとも一部が比較的冷たい供給原料の表面で凝縮され、その後にはじめて永久気体がプロセスから排出されるように、前記第2のプロセス段階に入る供給原料に逆流して前記第2のプロセス段階から排出され、かつ
・沈降物が、前記第2のプロセス段階から吐出され、水の蒸発により、実質的に第3のプロセス段階、すなわち蒸気雰囲気中で乾燥を行う蒸気加熱乾燥段階の温度レベルに冷却され、そして第3のプロセス段階に送られ、含水率が30質量%未満、好ましくは20質量%未満、特に15質量%未満の市販できる品質の炭の形で最終生成物として第3のプロセス段階から吐出されることを特徴とする方法。 - 前記第1のプロセス段階での供給原料の温度が、供給原料と、供給原料の温度に比べて熱いその後のプロセス段階からの排水および排蒸気との混合により高められ、前記第2のプロセス段階に供給原料を送り込む前に、最大で、予め供給されたのと同量の水を再び供給原料から分離し、分離した水から、最大で、供給原料を炭化および乾燥する後続のプロセス段階で分離されるのと同量の水が、プロセスから排出され、さらに、前記第1のプロセス段階に供給された水が、循環水としてプロセス内に留まり続けることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第1のプロセス段階において、供給原料の圧力上昇が液体の存在下で行われ、圧力上昇の直前に、少なくとも供給原料の空隙容積をプロセス内排水で充填することにより、供給原料を搬送できるようにし、前記第2のプロセス段階に供給原料を送り込む前に、最大で、予め供給されたのと同量の水を再び供給原料から分離することを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- 前記第2のプロセス段階の第2のプロセスステップ、すなわち炭化ステップにおいて、蒸気の取出し、および循環のために取り出した水の再供給により、さらに必要であれば外部からの加熱蒸気を付加し、この加熱蒸気がこのプロセス段階で凝縮することにより、ほぼ恒温のプロセス進行が維持されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の方法。
- 前記第2のプロセス段階の第2のプロセスステップ、すなわち炭化ステップにおいて、蒸気の取出し、および循環のために取り出した水の加温と再供給により、ほぼ恒温のプロセス進行が維持されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の方法。
- 第3のプロセス段階の蒸気加熱乾燥の前に機械的脱水が行われ、機械的脱水の際に生じる凝集物だけが、蒸気加熱乾燥に送り込まれることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の方法。
- 前記第2のプロセス段階に再供給されない水の圧力低下からのフラッシュ蒸気、および水を含有する沈降物の圧力低下からのフラッシュ蒸気、ならびに乾燥の際に発生する蒸気が、恒温で洗浄され、その後、圧縮されるか、あるいは動力プロセスにおいてエクセルギーを放出しながら緩和され、その際、圧縮の加圧段階が、乾燥器の加熱に必要な圧力および前記第2のプロセス段階の加熱に必要な圧力によって決定されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の方法。
- 前記第2のプロセス段階に再供給されない水の圧力低下からのフラッシュ蒸気、および水を含有する沈降物の圧力低下からのフラッシュ蒸気、ならびに乾燥の際に発生する蒸気が、生蒸気を生成するために凝縮され、生蒸気がその後、圧縮されるか、または動力プロセスにおいてエクセルギーを放出しながら緩和され、その際、圧縮の加圧段階が、乾燥器の加熱に必要な圧力および前記第2のプロセス段階の加熱に必要な圧力によって決定されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の方法。
- フラッシュ蒸気および乾燥蒸気の恒温洗浄において生じる水が、圧力上昇前の前記第1のプロセス段階での供給原料に供給され、その顕熱の一部を供給原料に放出した後、少なくとも一部が前記第2のプロセス段階の前に再び供給原料から分離され、その後、場合によっては蒸発または気化による濃縮の後で、再利用に送られることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一つに記載の方法。
- 機械的脱水において生じる濾過液が、圧力上昇前の前記第1のプロセス段階での供給原料に供給され、その顕熱の一部を供給原料に放出した後、少なくとも一部が前記第2のプロセス段階の前に再び排出され、その後、場合によっては蒸発または気化による濃縮の後で、再利用に送られることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一つに記載の方法。
- 蒸発器内で生じる凝縮液が、圧力上昇前の前記第1のプロセス段階での供給原料に供給され、その顕熱の一部を放出した後、少なくとも一部が前記第2のプロセス段階の前に再び排出され、その後、場合によっては蒸発または気化による濃縮の後で、再利用に送られることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一つに記載の方法。
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