WO1999044761A1 - Verfahren zur aufbereitung von reststoffgemengen und zur konversion von kohlenstoffhaltigen rest- oder rohstoffen in den reststoffgemengen und vorrichtung zur durchführung derartiger verfahren - Google Patents

Verfahren zur aufbereitung von reststoffgemengen und zur konversion von kohlenstoffhaltigen rest- oder rohstoffen in den reststoffgemengen und vorrichtung zur durchführung derartiger verfahren Download PDF

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Staiger, Petra
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Definitions

  • the present invention relates to methods for the preparation of residues and for the conversion of carbon-containing residues or raw materials in the residues as well as a device for carrying out such methods.
  • ⁇ 44 02 559 C2 Numerous methods for the treatment of waste or residual materials or for the utilization of the energy stored in organic waste are known from the literature.
  • ⁇ 44 02 559 C2 for example, a method or a Device for converting vegetable solar energy and biological material disclosed.
  • Various process lines are described which, depending on the biological starting material, specifically allow the conversion to reusable end products.
  • a fermentation stage with alcohol distillation of the organic pulp is also provided.
  • the alcohol obtained during the fermentation stage is separated from the other fermentation products, the other fermentation products, for example gas, fusel oils and stillage, being fed to a combined heat and power plant.
  • the method according to the invention contributes significantly to relieving the environment and improving the energy requirement situation.
  • Any combination of organic and inorganic waste can be considered as a solid mixture.
  • the organic waste to be treated includes waste products from agriculture as well as from the food industry.
  • the manure of pigs, cattle, poultry or other farm animals is particularly suitable from agriculture, while the end products from slaughterhouses, fish processing companies, restaurants, mills or bakeries are suitable from the food industry.
  • renewable raw materials such as straw or hay, wood waste, from agriculture or from the woodworking industry, in particular cleaning or waste wood, separating and deep-frying fats and organic materials from other sources, can be processed as organic waste materials.
  • the iron parts are separated and other inorganic, in particular mineral or metallic, contaminants are removed.
  • the preparation and recycling of the organic waste materials is preceded by a separation stage which allows the rough separation of inorganic and organic residues from the batch.
  • the essentially organic waste after the separation stage is fed to one or more shredders.
  • the shredder (s) have the task of reducing the waste to grain size. Typically, crushing to a grain size of the waste of less than 500 mm, preferably less than 300 mm, in particular less than 250 mm, should be achieved.
  • the shredder capacity also mixes the residual waste.
  • the crushing step is also able to ensure sufficiently large surfaces for the first waterproofing and screening process, which preferably precedes the drainage.
  • the shredding and screening steps are repeated two or more times.
  • the waste is now dewatered using a screen press.
  • the squeeze water is fed to a fermenter.
  • a certain proportion of the pressure water can also be added 6 one or more pressure reactor (s) are forwarded.
  • the solid fraction obtained after dewatering can then preferably be processed in further process steps and finally introduced into a pressure reactor (s) in the form of pellets after the pelleting.
  • the screening, screening and fractionation steps which preferably precede the pelleting ensure that the pellets have a chemical and physical homogeneity which can further improve the digestion or gasification of the waste materials in the pressure reactor (s).
  • the separated inorganic or metallic inert substances can, however, be used for other purposes.
  • the separated metallic components can be used as scrap metal, the mineral components as building aggregates in road construction, for drama fillings or for embedding for pipelines.
  • the squeeze water obtained by the process according to the invention in the course of process step (b) is processed further as a fermenter substrate.
  • it is mixed and first pumped into a fermentation reactor.
  • the fermentation in this reactor is at a temperature above 20 ° C, typically at temperature. between 30 and 40 C C, that is in the ⁇ esophiien range.
  • the residence time of the pressure water substrate in the reactor is typically 5 7 to 15 days, particularly preferably between 8 and 10 days.
  • the fermenter substrate is first pre-or partially fermented in the first reactor and then further fermented in one or more further reactor (s).
  • a second reactor can typically operate at a higher temperature than the first reactor, for example from 40 to 60 ° C., preferably from 50 to 60 ° C., that is to say in the thermophilic range.
  • the substrate initially pre-fermented in the first reactor is then further degraded in the following reactor (s). In this way, lining up reactors with increasing reaction temperatures can be procedurally advantageous.
  • the mean residence time of the substrate in a second or further reactor which is optionally provided according to the process is between 1 and 15 days, particularly preferably between 8 and 10 days.
  • the biogas produced in the fermenter is desulfurized after the condensate separation. Desulfurization is made possible by adding stoichiometric air to the biogas.
  • the preferably dried and desulfurized biogas is then passed on to a power plant and / or to a pressure reactor.
  • the biogas is burned in one or more power plants, typically one or more combined heat and power plants with a gas engine and / or gas turbine.
  • the calorific value of the 8 Biogas is used to generate electrical energy that covers the electricity needed to carry out the process.
  • Another part of the biogas, as described above, is fed into a pressure reactor and gasified there together with the optionally dried pellets.
  • This gasification is preferably carried out with water vapor in a stationary fluidized bed.
  • the product gas generated in the pressure reactor is initially typically dedusted by a filter and, if necessary, desulfurized.
  • the product gas has a high hydrogen content. This hydrogen content is typically over 50% by volume.
  • the product gas can thus be used directly as a valuable substance, for example as a fuel, depending on the degree of purification and preparation.
  • hydrogen is separated from the product gas mixture. This separation is advantageously carried out by a gas filter.
  • pressure swing absorption or membrane separation processes can be used to concentrate the hydrogen.
  • the hydrogen enriched in this way can now be used to generate electricity in one or more fuel cells.
  • the use of the purified hydrogen for the synthesis of methanol is particularly preferred.
  • the hydrogen is reacted with exhaust gases, in particular those exhaust gases which have a high carbon monoxide content.
  • exhaust gases in particular those exhaust gases which have a high carbon monoxide content.
  • the exhaust gas stream which is produced in the course of the combustion reaction in the power plant in accordance with the method according to the invention is preferably used for this. This conversion leads to a complete disposal of the biogas produced in the fermentation reactor.
  • the circulatory system on which the method according to the invention is based thus also includes the disposal of carbon monoxide which may arise in the method.
  • excess, possibly purified, hydrogen can be temporarily stored as a gasification product in hydrogen tanks and can only be used, if necessary, either for methanol synthesis or for charging fuel cells.
  • the method according to the invention thus allows the organic residues or raw materials to be broken down to optimize water, CO 2 and methanol efficiency.
  • the liquid and / or solid residues also generated in the fermentation reactor (s), power plant (s) and pressure reactor (s) are used as liquid or solid fertilizers in agriculture. It also follows from the fact that the process uses renewable raw materials or residues 10
  • FIG. 1 schematically shows a simplified block diagram, this circuit diagram reflecting both a method scheme according to the invention and the structure of a device according to the invention suitable for carrying out a method according to the invention.
  • FIG. 1 also represents further elements as components of preferred embodiments.
  • the process according to the invention is carried out with the aid of a likewise inventive device which comprises one or more fermentation reactor (s) (4), one or more pressure reactors (5) and one or more combined heat and power plants (10).
  • the device according to the invention comprises means for presorting and separating the waste material (1) into the fractions of inorganic or metallic consistency and organic carbon-containing consistency.
  • the device according to the invention comprises means for dewatering and pelleting (3) the organic residual or raw material components.
  • the waste materials to be processed are preferably transported on a screw conveyor from the central collection bunker into the device according to the invention.
  • a magnetic conveyor belt with means for presorting (1) for example with one or more separating rakes and one or more roller magnet (s), is used to separate metal parts and to remove coarse contaminants. In particular, stones, glass, ceramics and any metal components should be mentioned here.
  • This, in particular non-organic heavy material is then removed in an optional embodiment of the method or device according to the invention via a conveyor belt and finally via iron or.
  • the optional iron separator can be designed as a drum magnet; eddy current separators are preferably used as non-iron separators.
  • the organic waste components that are not separated on the magnetic conveyor belt by means of pre-sorting (1), for example separating rake and roller magnet (s), in particular organic waste components, are fed to a shredder (2), which causes this main fraction to be torn open and shredded.
  • the particles resulting from the grinding process should be one 12
  • Grain size of less than 500 mm, preferably less than 300 mm, most preferably less than 250 mm. This crushing process also causes an intensive mixing of the components of the main fraction.
  • the device according to the invention can also have means for air classifying (14).
  • a wind sifting separates a light fraction from the main fraction, which generally contains, for example, paper or plastic films.
  • the main fraction is typically sieved in a coarse sieve (14), the sieve cut being selected according to the degree of comminution previously achieved, that is to say the particle size.
  • the screen cut should typically be between 250 and 500 mm.
  • the crushed and sieved main fraction with grain sizes of, for example, less than 250 mm can preferably again be a shredder, e.g. B. a hammer mill (15) for comminution.
  • This crushing should result in the main fraction grains with grain sizes that are smaller than those after the first crushing or screening step, for example grain sizes of less than 100 mm.
  • the grains should preferably have a maximum size of less than 60 mm.
  • This optional crushing step is preferably followed by a further screening step in a screen (16) with an adequate screen cut.
  • the 13 sieve cut in this sieving step between 60 and 100 mm, preferably at about 60 mm.
  • the individual comminution and sieving steps can each be repeated for the fraction remaining in the sieve in order to be able to feed a large part of the solid fraction with the corresponding grain size for further processing in the device according to the invention.
  • Pretreatment of the main organic fraction into grains pressing the same in dewatering agents, e.g. B. a screen press (3).
  • the dewatering of the main fraction in the screen press (3) causes a separation into a liquid fraction and a solid fraction, which can be done in different ways in the invention
  • Device can be processed further.
  • the liquid fraction is either fed to one or more fermentation reactor (s) (4) and / or one or more pressure reactor (s) (5).
  • the main part of the liquid fraction is preferably biodegraded in one or more fermentation reactor (s) (4).
  • the solid fraction is prepared for gasification in one or more pressure reactor (s) (5).
  • pelleting in a pelletizing device (6) is required for this.
  • the solid fraction is first subjected to drying.
  • the drying device (17) can be designed as a belt dryer and comprise a belt dryer belt, storage container, distribution and collecting screw (s) and heat exchanger.
  • comminution, sieving, air separation and / or sorting steps in means of comminution, sieving, air classifying (7 and 8) and sorting (9) are carried out individually or in any combination before the pelleting step in the pelletizer.
  • the optionally dried solid fraction can be conveyed to a bunker on a closed conveyor belt.
  • the screen cut of the drum screen is chosen accordingly.
  • the process can very particularly preferably also be carried out in such a way that the fraction remaining in the sieve is comminuted again and then sieved again. Such steps can also be repeated several times cyclically.
  • this combination of screening preferably drum screening, comminution, air separation and / or sorting, there is a homogeneous solid fraction with a uniform one 15
  • Grain size e.g. with a grain size of less than 40 mm.
  • the granular material will be separated into a fine-grained and coarse-grained fraction in a subsequent further screening.
  • the separation into fine and coarse-grained solid fractions can be carried out, for example, with a sieve cut of 10 to 20 mm, preferably 15 mm.
  • the small and the coarse-grained solid fraction can then, separately from one another, be sent to dry density sorting in order to ensure the selectivity of the sorting process.
  • the use of one or more air classifiers (7 or 8) is also preferred.
  • the wind classifier (7 or 8) allows the organic material to be separated from any remaining inert substances, in particular mineral components, the light fraction obtained after the wind separation being further processed into pellets, while the heavy fraction is separated from essentially inert substances as a by-product.
  • storage containers can be set up as stores before and / or after the pelleting step. In this way it is possible to maintain a kinetic equilibrium ("steady state") permanently during operation of the device. 16
  • the pelleting step in the pelletizer (6) follows.
  • the pellets serve as fuel for the subsequent gasification step in the pressure reactor (5). They have a chemical and physical homogeneity which allows the pressure reactor (5) to operate evenly.
  • the fluctuations in the ingredients that usually occur in waste are significantly reduced by the sorting process described.
  • the pretreatment that may be carried out and the subsequent pelleting of the solid fraction according to the invention, the various processing lines required according to the prior art, which - depending on the composition and Consistency of the waste materials to be processed - must be switched on or off in a device for waste processing.
  • the means for loading can comprise a conveyor system, possibly with a top filter (s), lock container, bulk material flaps and / or dosing screws.
  • the carburetor is designed such that the gasification reaction of a W is irbel Anlagenvikviks carried out on the base.
  • the pelletized biomass are in a stationary W irbel slaughter before the pressure reactor.
  • a W irbel slaughterviks the pellets via a lock system, preferably a rotary valve, in the d under positive jerk stationary gasification generator is racht b.
  • the pellets are distributed on horizontal perforated floors and water vapor flows through them from below. Under the corresponding flow conditions, a state arises in which the particles swirl in a constant up and down movement and are therefore in suspension.
  • 18 particles are fluidized, ie they are in a fluidate (or fluidized bed).
  • the fluidized bed gasifier can include a fluidized bed gas generator, pressure vessel of the gas generator, dosing nozzle, ash discharge, fluidized bed grate, multilayered brick lining, bed material discharge with pressure-tight shut-off devices, sieve for classifying the discharged bed material of the discharged ash from fluidized bed overflow and / or cyclone separators in three.
  • the fluidizing water vapor is also a heat transfer medium.
  • all heat-transferring components in the carburetor can be dispensed with.
  • an allothermic process for gasifying biomass is preferred in the present case.
  • the allothermal process transfers an external carrier of heat, typically water vapor, to the substance to be gasified. Due to the preferably allothermal process control, it is not necessary to burn some of the gasification products themselves to generate heat.
  • the allothermal process also allows the production of a high-calorific gas with a high hydrogen content, low dust load and a low solids content, eg tar content.
  • the gasification also takes place autothermally, with some of the gasification products in the generator then typically being burned with air.
  • the water vapor that is preferably used for gasification can be fed from one or any combination of the following three sources: externally supplied process water and / or the combustion product of part of the hydrogen-rich product gas and / or condensate of the water produced in the waste heat boiler for cooling the product gas.
  • the means for generating the water vapor can comprise smoke tube steam boilers, feed water preheaters, feed water pumps, pipelines and / or pressure combustion chambers.
  • the gaseous products are transferred from the gasifier, which may be operated in a fluidized bed process, into one or more cyclones.
  • the cylindrical cyclone with a tapered bottom allows the coarser dust particles to be separated by the centrifugal force of the tangentially entering gas / dust stream.
  • the gas stream freed from coarse dust leaves the cyclone at the top through an outlet pipe.
  • the gas enters a waste heat boiler and is then typically dedusted using the methods known in the prior art. Gas cleaning and / or dust filters are suitable for this.
  • the preferably finely dedusted gas stream is either further treated as hydrogen-rich gas or with optional elements 20th
  • the means for dust separation can include cyclone separators, dust filters and / or gas-tight shut-off valves for the gas inlet or gas outlet.
  • the ashes obtained in the cyclone (s) and also in the gasifying pressure reactor (s), if any, can optionally be worked up further to form activated carbon.
  • means for gas filtering (11) are suitable.
  • These means for gas filtering (11) advantageously comprise a quench, the gas stream being cooled with water, which also has a cleaning function. Most of the water vapor used in the quench condenses as product gas.
  • the gas stream can also be desulfurized by reducing any sulfoxides to sulfur. The sulfur can then be used as a by-product of the process according to the invention for other purposes.
  • Wash water circuit and / or recooler with heat exchanger used.
  • the heat of condensation which may occur in the quench directly for the process according to the invention.
  • the heat of condensation can be used for the advantageous drying step that may take place before pelleting.
  • the finely dusted and hydrogen-rich product gas can be used for a wide range of applications. Due to its high calorific value, the product gas can be used directly as a fuel in a gas engine or in a gas turbine. However, a cleaning step is advantageously carried out in order to reduce the carbon dioxide content of the product gas.
  • the proportion of hydrogen in the product gas can also be increased by chemical reaction (s). For example, any methane constituents from the product gas are converted to hydrogen and carbon monoxide by reaction with water vapor. It is also possible to further increase the hydrogen content in the product gas by means of pressure swing absorption or membrane separation processes.
  • This product gas stream purified in this way with at least 50% hydrogen, preferably at least 80% hydrogen, particularly preferably at least 99% purified hydrogen can be used to generate electricity in 22 one or more fuel cell (s) (12) are used.
  • the chemical energy present in hydrogen is converted directly into electrical energy.
  • the current can then either be used for the device's own operation or can be delivered to external current collectors.
  • the fuel cell (s) (12) are advantageously divided into modules, which then typically consist of 24 cells.
  • the electrodes are advantageously designed in the form of plates.
  • the hydrogen-rich product gas can react to form methanol with carbon monoxide from the exhaust gas stream of the thermal power station.
  • a catalyst e.g. Chromium-containing zinc oxide
  • means for dewatering (3) for example the squeezed aqueous biogenic solution (liquid fraction) is used as a fermenter substrate.
  • the liquid fermenter substrate is pumped with the help of a feed pump and possibly a plate 23 bers pumped into a fermentation reactor (4).
  • a fermentation reactor (4) advantageously has a fermentation volume of at least 300 m 3 , particularly preferred is a fermentation volume above 500 m 3 .
  • the fermentation of the organic substances takes place in this reactor (4) at temperatures above 35 ° C., advantageously between 36 ° C. and 38 ° C.
  • One or more is preferred for this reaction reactor (s) (4) further reaction reactor (s) downstream.
  • the fermentation substrate By fermenting the fermenter substrate in two or more reactors, the fermentation substrate can undergo successive fermentation steps under different process engineering conditions.
  • a continuous increase in the reaction temperature in the order of the reactors is possible, which is why a broad spectrum of microorganisms, each taking into account the specific temperature optimum, can be involved in the fermentation for their respective metabolic processes.
  • the greatest possible degradation of the organic substances can be ensured, and at the same time it is possible to carry out the fermentation continuously.
  • the device according to the invention typically has two reactors (4), the first reactor operating at a temperature of 30 to 40 ° C, the second reactor at a temperature above 50 ° C.
  • the residence times of the fermentation substrate in the two reactors can be varied depending on the circumstances. 24
  • liquid fermenter substrate passes through two or more reactors, they are up to 15 days, typically between 5 and 10 days, in particular between 3 and 10 days.
  • the fermented suspension exits through an outlet. It then advantageously arrives in a collecting container.
  • Each fermentation reactor (4) can have at least one, typically two stirrer (s). Due to their mixing effect, the agitator (s) ensure uniform fermentation of the substrate. In addition, this results in an effective heat transfer between the reactor contents and the preferably present heating elements of the reactor (s). If two or more agitators are used, their distribution over the entire reactor space is advantageous.
  • the heating elements of the reactor can form their own heating circuit, which preferably comprises outer wall heating, distributor, circulation pump and measuring and control elements.
  • Each reactor (4) advantageously has its own independent heating circuit.
  • the heating elements typically allow the setting of temperatures between 20 and 80 ° C. Heat losses in the reactors (4) can be largely prevented by covering them with mineral wool insulation layers. 25th
  • Each fermentation reactor (4) has a gas space, • in which the gaseous end products of the fermentation of liquid fermenter substrate collect.
  • the biogas produced in this way is withdrawn from the gas space and then used as intended.
  • the temperatures and pressures in the reactor (4) are continuously checked.
  • the loading of the reactor with the pressed solution and / or the removal of the biogas from the reactor gas space can then be regulated accordingly.
  • the reactor (4) can advantageously have an overpressure safety device in order to allow safe operation of the method according to the invention.
  • the device according to the invention also comprises one or more mixing containers.
  • the aqueous biogenic substrate solution can be mixed with solids before the first reactor is charged. Solid and fermenter substrate are first crushed, for example by one or more agitators, and mixed thereby. As soon as the solid is dissolved, a pump pumps the suspension into the reactor (s) (4).
  • the reactors (4) can therefore be charged via the supply of squeezed biogenic aqueous solution, after mixing the liquid fraction with solid or as a combination of the two types of charging mentioned above. 26
  • FIG. 1 Further optional elements of the reactor (s) (4) in a device according to the invention are one or more suction pumps, which can be provided in the upper or in the lower region of the reactor (s). .
  • These suction pumps allow the discharge of heavy substances at the bottom of the reactors or the discharge of any light substances in the upper area of the reactors.
  • an opening in each reactor allows maintenance and repair work.
  • the amount of biogas generated per year is, for example, between 500,000 and 1,000,000 m 3 , depending on the feed, the running times and the size or number of reactors.
  • the biogas drawn off from the upper region of the fermentation reactor (s) (4) can be fed to a thermal power station (10) and / or a pressure reactor (5) of the device according to the invention.
  • a thermal power station (10) and / or a pressure reactor (5) of the device according to the invention After the biogas has been drawn off from the reactors, there is advantageously first a condensate separation by cooling with water and then desulfurization by oxidation of the hydrogen sulfide contained in the biogas by stoichiometric addition of air.
  • the biogas can then be temporarily stored in one or more gas stores. These gas stores are typically designed as film stores with an outer container. 27
  • the possibly dried and desulfurized biogas is advantageously largely fed to a thermal power station (10).
  • this thermal power station (10) the chemical energy stored in the biogas is released by burning the same.
  • This chemical energy can be used to generate electricity e.g. to generate electricity for the operation of a device according to the invention.
  • Combined heat and power plants are particularly suitable for converting chemical energy into electricity. These are typically operated with gas engines and / or gas turbines, which can be equipped with a power generation unit and a heat exchanger. The heat exchanger can also be used to cover the heat required for the temperature control of the reactor (s).
  • the fermented liquid residue or fermented suspension in the fermentation reactor (s) (4) can be dewatered by a press.
  • the liquid residue obtained can then be used as a liquid fertilizer for agriculture.
  • the solid residue remaining after pressing can also be processed as fertilizer.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Reststoffgemengen und zur Konversion von kohlenstoffhaltigen Rest- oder Rohstoffen in den Rest-stoffgemengen, bei welchem die in den Reststoffgemengen enthaltenen kohlenstoffhaltigen Rest- oder Rohstoffe von anorganischen und/oder metallischen Materialien getrennt werden; die kohlenstoffhaltigen Rest- oder Rohstoffe entwässert und pelletiert werden; das im Zuge der Entwässe-rung anfallende Abpresswasser in einem oder mehreren Reaktoren einer Fermentation unterzogen wird; das im Zuge der Fermentation gebildete Biogas in mindestens einem Kraftwerk zur Energiegewinnung eingesetzt und/oder das Biogas mindestens einem Druckreaktor zugeführt und dort mit den gemäß pelletierten Rest- oder Rohstoffen aufgeschlossen wird.

Description

Titel:
VERFAHREN ZUR AUFBEREITUNG VON RESTSTOFFGEMENGEN UND ZUR KONVERSION VON KOHLENSTOFFHALTIGEN REST- ODER ROHSTOFFEN IN DEN REΞTSTOFFGEMENGEN UND VORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DERARTIGER VERFAHREN
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Aufbereitung von Reststoffgemengen und zur Konversion von kohlenεtoff-haltigen Rest- oder Rohstoffen in den Reststoffgemengen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung derartiger Verfahren.
Aus der Literatur sind zahlreiche Verfahren zur Mülloder Reststoffaufbereitung bzw. zur Verwertung der in organischem Müll gespeicherten Energie bekannt. In der Ξ 44 02 559 C2 wird bspw. ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Konversion pflanzlich gebundener Sonnenenergie und von biologischem Material offenbart. Hierbei werden verschiedene Verfahrenslinien beschrieben, die abhängig vom biologischen Ausgangsmaterial spezifisch die Umwandlung zu wiederverwendbaren Endprodukten gestatten. Insbesondere ist auch eine Vergarungsstufe mit Alkoholdestillation des organischen Materialbreis vorgesehen. Der während der Vergärungsstufe anfallende Alkohol wird nach der Lehre der DE 44 02 559 C2 von den übrigen Vergärungs-produkten abgetrennt, wobei die übrigen Vergärungsprodukte, z.B. Gas, Fuselöle und Schlempe, einem Blockheizkraftwerk zugeführt werden.
Zwar unterliegt das in der DE 44 02 559 C2 vorgeschlagene Verfahren einer strikten Beachtung des Kreislaufprinzips, doch weisen die dort offenbarten Verfahren den Nachteil auf, daß nur ein suboptimaler Wirkungsgrad, bezogen auf die in den Rest- und Abfallstoffen gespeicherte chemische Energie, erzielt wird. Auch ist das Problem der vom Blockheizkraftwerk ausgestoßenen Abgase nicht befriedigend gelöst. Ferner sind stets mehrere Verf hrenslinien zur Behandlung verschiedener organischer Ausgangsstoffe erforderlich.
Insofern ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter strenger Berücksichtigung des Kreislaufprinzips den Wirkungsgrad bei der Verwertung kohlenstoffhaltiger Restund/oder Rohstoffe zu verbessern, die sich aus der Verfahrensdurchführung ergebende ökologische Belastung weitestgehend zu vermindern und zugleich ein einfaches, vom organischen Ausgangsmaterial unabhängiges Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung nach Anspruch 13.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren offenbart, das zur Aufbereitung von Reststoffgemengen und zur Konversion von kohlenstoffhaltigen Rest- oder Rohstoffen in den vorgenannten Reststoffgemengen
(a) eine Trennung der in den Reststoffgemengen enthaltenen kohlenstoffhaltigen Rest- oder
Rohstoffen von anorganischen und/oder metallischen Feststoffen,
(b) eine Entwässerung der abgetrennten kohlenstoff- haltigen organischen Rest- oder Rohstoffe und deren
Pelletierung,
(c) eine Fermentation der im Rahmen der Entwässerung erhaltenen Abpreßwässer in einem oder mehreren Reaktoren,
(dl) eine Weiterleitung der im Rahmen der Fermentation nach Verfahrensschritt (c) gebildeten Biogase an mindestens ein Kraftwerk und/oder (d2) Zufuhr des Biogases zu mindestens einem
Druckreaktor und eine AufSchlußreaktion des
Biogases mit den gemäß Verfahrensschritt (b) pelletierten Rest- oder Rohstoffen in einem
Druckreaktor
vorsieht.
Das erfindungsgemäße Verfahren trägt wesentlich zur Entlastung der Umwelt und zur Verbesserung der Energiebedarfssituation bei. Als Feststoffgemenge kommt jede Kombination von organischem und anorganischem Abfall in Frage. Der aufzubereitende organische Abfall umfaßt insbesondere Abfallprodukte aus der Landwirtschaft wie auch aus der Lebensmittelindustrie. Aus der Landwirtschaft eignen sich ganz besonders die Gülle von Schweinen, Rindern, Geflügel oder anderen landwirtschaftlichen Nutztieren, aus der Lebensmittelindustrie dagegen die Endprodukte aus Schlachtereien, fischverarbeitenden Betrieben, Gaststätten, Mühlen oder Bäckereien. Weiterhin können nachwachsende Rohstoffe, z.B. Stroh oder Heu, Holzabfälle, aus der Landwirtschaft oder auch aus der holzverarbeitenden Industrie, insbesondere Putz- oder Altholz, Abscheider- und Frittierfette sowie organische Materialien anderer Quellen, als organische Abfallstoffe zur Verarbeitung gelangen. Nacn Anlieferung αer Abfälle erfolgt die Aotrennung der Eisenteile und die Entfernung anderer anorganischer, insbesondere mineralischer, oder metallischer Störstoffe. Erfmdungsgemaß wird somit der Aufbereitung und Verwertung der organischen Abfallstoffe eine Trennstufe vorgeschaltet, die die Grobtrennung anorganischer und organischer Reststoffe aus dem Gemenge erlaubt.
Vorzugsweise wird der nach der Trennstufe im wesentlichen organische Abfall auf einen oder menrere Schredder gegeben. Der (die) Schredder hat (haben) die Aufgabe, die Abfall auf Korngroße zu zerkleinern. Typischerweise sollte eine Zerkleinerung auf eine Korngroße des Abfalls von weniger als 500 mm, vorzugsweise weniger als 300 mm, insbesondere weniger als 250 mm, erreicht werden. Durch die Schredderleistung wird gleichzeitig auch eine Durchmischung der Restabfälle bewirkt. Auch vermag der Zerklemerungsschritt ausreicnend große Oberflachen für den ersten Wmdsichtungs- und Siebungsprozeß, der vorzugsweise der Entwässerung vorgeschaltet ist, zu gewährleisten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schredder- und Siebungsschritte zwei- oder mehrfach wiederholt.
Erfindungsgemaß wirα der Abfall nunmehr πt Hilfe einer Siebpresse entwässert. Das Abpreßwasser wird einem Fermenter zugeführt. In einer bevorzugten Ausgestaltung Kann jedoch ein gewisser Anteil des Abpreßwassers auc.-i an 6 einen oder mehrere Drucnreaktor (en) weitergeleitet werden. Die nach der Entwässerung erhaltene Festfraktion kann danach vorzugsweise in weiteren Verfahrensschritten aufbereitet und schließlich nach der Pelletierung in Form von Pellets in einen Druckreaktor (en) eingeführt werden. Die vorzugsweise der Pelletierung vorangehenden Sichtungε-, Siebungε- und Fraktionierungsschritte stellen dabei sicher, daß die Pellets eine chemische und physikalische Homogenität aufweisen, die den Aufschluß bzw. die Vergasung der Abfallstoffe im (in den) Druckreaktor (en) weiter verbessern können.
Die abgetrennten anorganischen oder metallischen Inertstoffe können indes einer anderweitigen Verwertung zugeführt werden. So etwa können die abgetrennten metallischen Bestandteile als Altmetall, die mineralischen Bestandteile als Bauzuschlagstoffe im Straßenbau, für Dramagefüllungen oder bei Einbettungen für Rohrleitungen eingesetzt werden.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Zuge des Verfahrensschritts (b) erhaltene Abpreßwasser wird als Fermentersubstrat weiterverarbeitet. Hierzu wird es gemischt und zunächst in einen Fermentationsreaktor gepumpt. Die Fermentation in diesen Reaktor wird bei einer Temperatur oberhalb von 20°C, typischerweise bei Temperature. zwischen 30 und 40CC, also im πesophiien Bereich, durchgeführt. Typischerweise beträgt die Verweilzeit des Abpreßwassersubstrats m dem Reaktcr 5 7 bis 15 Tage, besonders bevorzugt zwischen 8 und 10 Tagen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Fermentations- verfahrens wird das Fermentersubstrat in dem ersten Reaktor zunächst vor- oder teilvergoren und dann in einem oder mehreren weiteren Reaktor (en) weitervergoren. Ein zweiter Reaktor kann typischerweise bei einer höheren Temperatur als der erste Reaktor arbeiten, z.B. von 40 bis 60°C, bevorzugt von 50 bis 60°C, also im thermophilen Bereich. Das zunächst im ersten Reaktor vorvergorene Substrat wird dann in dem (den) folgenden Reaktor (en) weiter abgebaut. Derart kann eine Aneinanderreihung von Reaktoren mit jeweils steigender Reaktionstemperatur verfahrensge äß vorteilhaft sein.
Die mittlere Verweilzeit des Substrats in einem gegebenenfalls verfahrensgemäß vorgesehenen zweiten oder weiteren Reaktor beträgt zwischen 1 und 15 Tagen, insbesondere bevorzugt zwischen 8 und 10 Tagen.
Das in dem Fermenter produzierte Biogas wird nach der Kondensatabscheidung entschwefelt . Die Entschwefelung wird über eine stöchiometrische Luftzugabe zum Biogas ermöglicht. Das vorzugsweise getrocknete und entschwefelte Biogas wird dann an ein Kraftwerk und/oder an einen Druckreaktor weitergeleitet.
In einem oder mehreren Kraftwerk (en) , typischerweise ein oder mehrere Blockheizkraftwerke mit Gasmotor und/oder Gasturbine, wird das Biogas verbrannt. Der Heizwert des 8 Biogases wird zur Gewinnung elektrischer Energie herangezogen, die den Eigenstrombedarf zur Durchführung des Verfahrens deckt.
Ein weiterer Teil des Biogases wird, wie oben beschrieben, in einen Druckreaktor geführt und dort gemeinsam mit den gegebenenfalls getrockneten Pellets vergast. Vorzugsweise wird diese Vergasung mit Wasserdampf in einer stationären Wirbelschicht vorgenommen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das im Druckreaktor erzeugte Produktgas zunächst typischerweise durch einen Filter feinentstaubt und ggfs. entschwefelt . Das Produktgas weist einen hohen Wasserstoffanteil auf. Typischerweise liegt dieser Wasserstoffanteil bei über 50 Vol.-%. Das Produktgas kann damit direkt als Wertstoff, z.B. als Brennstoff oder Treibstoff, abhängig vom Reinigungs- und Aufbereitungsgrad, eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens wird jedoch Wasserstoff aus dem Produktgasgemenge abgetrennt. Diese Abtrennung erfolgt vorteilhafterweise durch einen Gasfilter. Dabei kommen typischerweise Druckwechselabsorptions- oder Membrantrennverfahren in Frage, um den Wasserstoff aufzukonzentrieren. Der derart angereicherte Wasserstoff kann nunmehr zur Stromerzeugung in einer oder mehreren Brennstoffzelle(n) eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist der Einsatz des aufgereinigten Wasserstoffs zur Synthese von Methanol. Hierzu wird der Wasserstoff mit Abgasen, insbesondere solchen Abgasen, die einen hohen Kohlenmonoxydanteil aufweisen, umgesetzt. Erfindungsgemäß wird hierfür bevorzugt jener Abgasstrom eingesetzt, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren im Zuge der Verbrennungsreaktion im Kraftwerk entsteht. Diese Umsetzung führt zu einer vollständigen Entsorgung des im Fermentierungsreaktor produzierten Biogases. Das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegende Kreislaufsystem schließt somit auch die Entsorgung von im Verfahren etwaig anfallenden Kohlenmonoxyds ein.
Darüber hinaus kann überschüssiger, ggf. aufgereinigter Wasserstoff als Vergasungsprodukt in Wasserstofftanks zwischengelagert werden und erst im Bedarfsfall entweder zur Methanolsynthese oder zur Beschickung von Brennstoffzellen eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es somit, die organischen Rest- oder Rohstoffe unter Optimierung des Wirkungsgrads zu Wasser, C02 und Methanol abzubauen. Die darüber hinaus in dem (den) Fermentationsreaktor (en) , dem (den) Kraftwerk (en) und dem (den) Druckreaktor (en) entstehenden flüssigen und/oder festen Reststoffe finden ihre Verwendung als Flüssig- oder Festdünger in der Landwirtschaft. Ferner ergibt sich aus der Tatsache, daß das Verfahren mit nachwachsenden Roh- oder Reststoffen 10
durchgeführt wird, eine in Hinblick auf die C02-Emissionen ausgeglichene und umweltneutrale Bilanz.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Figur 1 zeigt schematisch ein vereinfachtes Blockschaltbild, wobei dieses Schaltbild sowohl ein erfindungsgemäßes Verfahrensschema als auch den Aufbau einer zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten erfindungsgemäßen Vorrichtung widerspiegelt. Figur 1 stellt neben den Basiskomponenten des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch weitere Elemente als Bestandteile bevorzugter Ausführungsforraen dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Hilfe einer gleichfalls erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt, die einen oder mehrere Fer entationsreaktor (en) (4), einen oder mehrere Druckreaktor (en) (5) und ein oder mehrere Blockheizkraftwerk (e) (10) umfaßt. Gleichfalls umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zum Vorsortieren und Trennen des Abfallmaterials (1) in die Fraktionen anorganischer bzw. metallischer Konsistenz und organischer kohlenstoffhaltiger Konsistenz. Darüber hinaus umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zum Entwässern und Pelletieren (3) der organischen Rest- oder Rohstoffkomponenten. Diese Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellen die Grundausrüstung zur Durchführung 11
des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die vorgenannten Basiselemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung können um weitere optionale Elemente ergänzt werden.
Vorzugsweise werden die aufzubereitenden Abfallstoffe auf einer Förderschnecke vom zentralen Sammelbunker in die erfindungsgemäße Vorrichtung transportiert. Ein Magnetförderband mit Mitteln zum Vorsortieren (1) , bspw. mit einem oder mehreren Abscheiderechen und einem oder mehreren Walzenmagnet (en) , dient zur Trennung von Metallteilen und zur Entfernung grober Störstoffe. Insbesondere sind hier Steine, Glas, Keramik und beliebige Metallbestandteile zu nennen. Dieses, insbesondere nicht-organische Schwergut wird dann in einer optionalen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung über ein Transportband abgeführt und schließlich über Eisenbzw. Nicht-Eisenabscheider (13) getrennt. Der optionale Eisenabscheider kann als Trommelmagnet ausgebildet sein , als Nicht-Eisenabscheider kommen vorzugsweise Wirbelstromabscheider zum Einsatz .
Die durch Mittel zum Vorsortieren (1), beispielsweise Abscheiderechen und Walzenmagnet (en) , auf dem Magnetförderband nicht abgetrennten, insbesondere organischen Abfallbestandteile werden einem Schredder (2) zugeführt, der ein Aufreißen und Zerkleinern dieser Hauptfraktion bewirkt. Die als Folge des Zerkleinerungsvorgangs anfallenden Partikel sollten eine 12
Korngröße von weniger als 500 mm, vorzugsweise von weniger als 300 mm, ganz besonders bevorzugt von weniger als 250 mm, haben. Dieser Zerkleinerungsvorgang bewirkt außerdem eine intensive Durchmischung der Bestandteile der Hauptfraktion.
Als weiteres optionales Element kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch Mittel zum Windsichten (14) aufweisen. Durch eine derartige Windsichtung wird von der Hauptfraktion eine Leichtfraktion, die im allgemeinen z.B. Papier oder Kunststoffolien enthält, abgetrennt. Im Anschluß daran erfolgt typischerweise eine Siebung der Hauptfraktion in einem Grobsieb (14) , wobei der Siebschnitt entsprechend dem Grad der zuvor erreichten Zerkleinerung, also der Korngröße, gewählt wird. Der Siebschnitt dürfte typischerweise zwischen 250 und 500 mm liegen. Die zerkleinerte und gesiebte Hauptfraktion mit Korngrößen von beispielsweise weniger als 250 mm kann vorzugsweise abermals einem Schredder, z. B. einer Hammermühle (15) zur Zerkleinerung zugeführt werden. Diese Zerkleinerung sollte in der Hauptfraktion Körner mit Korngrößen, die kleiner als jene nach dem ersten Zerkleinerungs- bzw. Siebungsschritts sind, also z.B. zu Korngrößen von weniger als 100 mm, ergeben. Vorzugsweise sollten die Körner nach der Zerkleinerung eine Maximalgröße von weniger als 60 mm aufweisen. Diesem optionalen Zerkleinerungsschritt folgt vorzugsweise ein weiterer Siebungsschritt in einem Sieb (16) mit einem adäquaten siebschnitt. Typischerweise liegt der 13 Siebschnitt bei diesem Siebungsschritt zwischen 60 unα 100 mm, vorzugsweise bei ca. 60 mm. Die einzelnen Zerkleinerungs- und Siebungsschritte können jeweils für die im Sieb verbliebene Fraktion wiederholt werden, um einen Großteil der Festfraktion mit entsprechender Korngröße der Weiterverarbeitung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zuführen zu können.
Als Basiselement zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens folgt nach der zuvor beschriebenen optionalen
Vorbehandlung der organischen Hauptfraktion zu Körnern das Abpressen derselben in Mitteln zum Entwässern, z. B. einer Siebpresse (3). Die Entwässerung der Hauptfraktion in der Siebpresse (3) bewirkt eine Auftrennung in eine flüssige Fraktion und eine Festfraktion, die auf unterschiedlichen Wegen in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weiterbearbeitet werden können.
Die flüssige Fraktion wird entweder einem oder mehreren Fermentierungsreaktor(en) (4) und/oder einem oder mehreren Druckreaktor (en) (5) zugeführt. Vorzugsweise wird der Hauptteil der Flüssigfraktion in einem oder mehreren Fermentierungsreaktor (en) (4) auf biologischem Weg abgebaut.
Die Festfraktion wird erfindungsgemäß für die Vergasung in einem oder mehreren Druckreaktor (en) (5) vorbereitet. Hierzu ist erfindungsgemäß eine Pelletierung in einer Pelletiervorrichtung (6) erforderlich. Vorzugsweise wird 14 jedoch vor dem Pelletierungsschritt die Festfraktion zunächst einer Trocknung unterzogen. Die Trocknungsvorrichtung (17) kann hierbei als Bandtrockner ausgestaltet sein und ein Bandtrocknerband, Vorlagebehälter, Verteil- und Sammelschnecke(n) und Wärmeaustauscher umfassen. In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform werden vor dem Pelletierungsschritt im Pelletierer jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination Zerkleinerungs-, Siebungs-, Windsichtungsschritte und/oder Sortierungsschritte in Mitteln zum Zerkleinern, Sieben, Windsichten (7 und 8) und zum Sortieren (9) durchgeführt.
Hierfür kann die gegebenenfalls getrocknete Festfraktion auf einem geschlossenen Transportband in einen Bunker gefördert werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Beschickung eines oder mehrerer Trommelsiebe/s mit der körnigen Festfraktion zur Absiebung von grobkörnigen Teilchen, z.B. mit einer Größe von über 60 mm, vorzugsweise von über 40 mm. Der Siebschnitt des Trommelsiebs wird entsprechend gewählt. Das Verfahren kann dabei ganz besonders bevorzugt auch so ausgeführt werden, daß die jeweils im Sieb verbliebene Fraktion nochmals zerkleinert und dann abermals gesiebt wird. Derartige Schritte können auch mehrfach zyklisch wiederholt werden. Als Ergebnis dieser Kombination von Siebung, vorzugsweise einer Trommelsiebung, Zerkleinerung, Windsichtung und/oder Sortierung liegt eine homogene Festfraktion mit einer einheitlichen 15
Körnung, z.B. mit einer Korngröße von weniger als 40 mm, vor.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das körnige Material in einer anschließenden weiteren Siebung in eine feinkörnige und grobkörnige Fraktion aufgetrennt werden. So etwa kann die Trennung in fein- und grobkörnige Festfraktion bspw. bei einem Siebschnitt von 10 bis 20 mm, vorzugsweise bei 15 mm, durchgeführt werden. Die klein- und die grobkörnige Festfraktion können dann, voneinander getrennt, einer trockenen Dichtesortierung zugeführt werden, um die Trennschärfe des Sortierverfahrens zu gewährleisten.
Zur Vorbehandlung der Festfraktion ist auch der Einsatz eines oder mehrerer Windsichter (s) (7 bzw. 8) bevorzugt. Der Windsichter (7 bzw. 8) erlaubt die Trennung des organischen Materials von etwaigen verbliebenen Inertstoffen, insbesondere mineralischen Komponenten, wobei die nach der Windsichtung erhaltene Leichtfraktion zu Pellets weiterverarbeitet wird, während die Schwerfraktion aus im wesentlichen Inertstoffen als Nebenprodukt ausgeschieden wird. Um den Dauerbetrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung sicherzustellen, können vor und/oder nach dem Pelletierungsschritt Vorratsbehälter als Speicher eingerichtet werden. Auf diese Weise gelingt es, beim Betrieb der Vorrichtung ein kinetisches Gleichgewicht ("steady State") dauerhaft aufrechtzuerhalten . 16
Es folgt erfindungsgemäß der Pelletierungsschritt im Pelletierer (6) . Die Pellets dienen als Brennstoff für den nachfolgenden Vergasungsschritt im Druckreaktor (5) . Sie weisen eine chemische und physikalische Homogenität auf, die einen gleichmäßigen Betrieb des Druckreaktors (5) gestattet. Die üblicherweise im Abfall auftretenden Schwankungen der Inhaltstoffe sind durch das beschriebene Sortierverfahren deutlich reduziert. Durch die Fraktionierung der zur Beschickung der Anlage gelangenden Abfallstoffe in solche organischer und anorganischer Konsistenz, die ggf. erfolgende Vorbehandlung und die nachfolgende Pelletierung der Festfraktion kann erfindungsgemäß auf die nach dem Stand der Technik erforderlichen, verschiedenen Verarbeitungslinien , die - in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und Konsistenz der zu verarbeitenden Abfallmaterialien - in einer Vorrichtung zur Abfallauf rbeitung zugeschaltet oder abgeschaltet werden müssen, verzichtet werden.
Eine Vergasungsvorrichtung wird nunmehr mit dem gegebenenfalls getrockneten, in Pelletform vorliegenden Rest- oder Rohstoff beschickt. Die Mittel zur Beschickung können ein Fördersystem, ggf. mit Aufsatzfilter (n) , Schleusenbehälter, Schüttgutklappen und/oder Dosierschnecken umfassen.
Die nachfolgende Vergasungsreaktion wird bei erhöhten Drücken vorgenommen, weswegen ein Druckreaktor (5) zur 17
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich ist. vorteilhafterweise wird zum kohlenstoffhaltigen pelletförmigen Brennstoff Wasserdampf geführt. In diesem bevorzugten Fall wird als Druckreaktor (5) ein Wasserdampfdruckreaktor eingesetzt. Die in dem Reaktor erfolgende chemische Reaktion führt unter Oxidation des in den Pellets gebundenen Kohlenstoffs zu Gasgemischen, die im wesentlichen aus Wasserstoff, zu geringeren Teilen auch Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd und geringe Mengen anderer gasförmiger Produkte enthalten. Vorteilhafterweise beträgt der Anteil des Wasserstoffs in diesem Gasgemisch mehr als 50%.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Vergaser derart ausgestaltet, daß die Vergasungsreaktion auf der Basis eines Wirbelschichtverfahrens ausgeführt wird. Dabei liegen die pelletförmigen Biomassen in einer stationären Wirbelschicht im Druckreaktor vor. Bei Anwendung eines Wirbelschichtverfahrens werden die Pellets über ein Schleusensystem, vorzugsweise eine Zellradschleuse, in den unter Überdruck stehenden vergasungsgenerator eingebracht. In der Folge verteilen sich die Pellets auf waagrechten perforierten Böden und werden von unten von Wasserdampf durchströmt. Unter den entsprechenden Strömungsbedingungen stellt sich ein Zustand ein, bei dem die Teilchen in einer ständigen Auf- und Abbewegung wirbeln und sich daher in der Schwebe befinden. Die 18 Teilchen werden in diesem Fall fluidisiert, d.h., sie befinden sich in einem Fluidat(oder Wirbel) bett.
Der irbelschichtvergaser kann einen Wirbelbett- Gasgenerator, Druckbehälter des Gasgenerators, Dosierungsstutzen, Ascheaustrag, Wirbelbettrost, mehrschichtige Ausmauerung, Bettmaterialausschleusung mit druckdichten Absperrorganen, Sieb zur Klassierung des ausgeschleusten Bettmaterials der ausgetragenen Asche aus Wirbelschichtüberlauf und/oder Zyklonabscheider in drei Fraktionen umfassen.
Der fluidisierende Wasserdampf ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugleich auch Wärmeträgermedium. In diesem Fall kann auf alle wärmeübertragenden Einbauten im Vergaser verzichtet werden. Insofern ist im vorliegenden Fall ein allothermes Verfahren zur Vergasung von Biomasse bevorzugt.
Im Gegensatz zum autothermen Verfahren wird beim al- lothermen Verfahren ein externer Träger der Wärme, typischerweise Wasserdampf, an den zu vergasenden Stoff übertragen. Durch die vorzugsweise allotherme Verfahrens- führung ist es nicht erforderlich, einen Teil der Verga- sungsprodukte selbst zur Wärmeerzeugung zu verbrennen. Gleichfalls erlaubt das allotherme Verfahren die Produktion eines heizwertreichen Gases mit hohem Wasserstoffanteil, geringer Staubfracht und einem geringen Feststoffgehalt, z.B. Teergehalt. Erfindungsgemäß kann 19
jedoch die Vergasung auch autotherm erfolgen, wobei dann typischerweise ein Teil der Vergasungsprodukte im Generator mit Luft verbrannt wird.
Der vorzugsweise zur Vergasung verwendete Wasserdampf kann sich aus einer oder beliebigen Kombinationen der folgenden drei Quellen speisen: extern zugeführtes Brauchwasser und/oder das Verbrennungsprodukt eines Teils des wasserstoffreichen Produktgases und/oder Kondensat des im Abhitzekessel für die Abkühlung des Produktgases entstehenden Wassers. Die Mittel zur Erzeugung des Wasserdampfs können Rauchrohrdampfkessel, Speisewasservorwärmer, Speisewasserpumpen, Rohrleitungen und/oder Druckbrennkammer umfassen.
Vorteilhafterweise werden die gasförmigen Produkte aus dem ggf. im Wirbelschichtverfahren betriebenen Vergaser in einen oder mehrere Zyklon (e) überführt. Der zylindrische Zyklon mit konisch zulaufendem Boden erlaubt das Abscheiden der gröberen Staubteilchen durch die Zentrifugalkraft des tangential eintretenden Gas- /Staubstro s. Der vom Grobstaub befreite Gasstrom verläßt den Zyklon oben durch ein Austrittsrohr . Gegebenenfalls gelangt das Gas in einen Abhitzekessel und wird danach typischerweise durch die nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren feinentstaubt . Hierzu eignen sich Gasreinigungs- und/ oder Staubfilter. Der vorzugsweise feinentstaubte Gasstrom wird als Wasserstoffreiches Gas entweder mit optionalen Elementen weiterbehandelt oder 20
aber er wird vorteilhafterweise zu einem gewissen Teil, vorzugsweise zu weniger als 50%, nach Oxidation zu Wasserdampf für die Wirbelstromerzeugung eingesetzt.
Die Mittel zum Staubabscheiden können Zyklonabscheider, Staubfilter und/oder gasdichte Absperrklappen für den Gaseintritt bzw. Gasaustritt umfassen.
Die in dem (den) Zyklon (en) und auch die ggf. im (in den) vergasenden Druckreaktor (en) anfallenden Aschen können ggf. zu Aktivkohlenstoff weiter aufgearbeitet werden.
Als weitere optionale Aufbereitungsstufe zur Verbesserung der Qualität des Produktgases eignen sich Mittel zur Gasfilterung (11) . Diese Mittel zur Gasfilterung (11) umfassen vorteilhafterweise eine Quenche, wobei der Gasstrom mit Wasser, das auch Reinigungsfunktion besitzt, gekühlt wird. Der größte Teil des in der Quenche eingesetzten Wasserdampfes kondensiert als Produktgas . Weiterhin kann auch eine Entschwefelung des Gasstromes erfolgen, indem etwaige Sulfoxide zu Schwefel reduziert werden. Der Schwefel kann dann als Nebenprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu anderen Zwecken eingesetzt werden.
Hierbei kommt typischerweise eine Quenche mit zweistufigem Strahlwäscher, Gegenstromwäscher , Tropfenabscheider, Kreiselpumpen für den 21
Waschwasserkreislauf und/oder Rückkühler mit Wärmeaustauscher zum Einsatz.
Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit, die in der Quenche gegebenenfalls auftretende Kondensationswärme direkt für das erfindungsgemäße Verfahren zu nutzen. Beispielsweise kann die Kondensationswärme für den gegebenenfalls vor der Pelletierung erfolgenden, vorteilhaften Trocknungsschritt eingesetzt werden.
Das feinentstaubte und wasserstoffreiche Produktgas kann vielfältigen Einsatzmöglichkeiten zugeführt werden. Das Produktgas ist aufgrund seines hohen Heizwertes direkt als Treibstoff in einem Gasmotor oder in einer Gasturbine einsetzbar. Vorteilhafterweise wird allerdings ein Reini- gungsschritt vorgeschaltet, um den Kohlendioxydanteil des Produktgases zu reduzieren. Gleichfalls kann der Anteil an Wasserstoff im Produktgas durch chemische Reaktion (en) erhöht werden. So können z.B. etwaige Methanbestandteile aus dem Produktgas durch Reaktion mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenmonoxyd umgesetzt werden. Darüber hinaus ist es möglich, durch Druckwechselabsorptions- oder Membrantrennverfahren für eine weitere Erhöhung des Wasserstoffanteils im Produktgas zu sorgen.
Dieser derart aufgereinigte Produktgasstrom mit mindestens 50% Wasserstoff, vorzugsweise mindestens 80% Wasserstoff, insbesondere bevorzugt mindestens 99% aufgereinigtem Wasserstoff kann für die Stromerzeugung in 22 einer oder mehreren Brennstoffzelle (n) (12) eingesetzt werden.
Hierbei wird die im Wasserstoff vorliegende chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Der Strom kann nachfolgend entweder für den Eigenbetrieb der Vorrichtung verwendet oder aber an externe Stromabnehmer abgegeben werden. Die Brennstoffzelle (n) (12) sind vorteilhafterweise in Module aufgegliedert, die sich dann typischerweise aus 24 Zellen zusammensetzen. Die Elektroden sind vorteilerhafterweise plattenf rmig ausgestaltet.
Darüber hinaus kann das wasserstoffreiche Produktgas durch Umsetzung mit Kohlenmonoxyd aus dem Abgasstrom des Heizkraftwerks zu Methanol reagieren. Hierdurch wird ein wesentlicher Beitrag zur Minimierung der Emission bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geleistet. So erhält man z.B. beim Arbeiten unter Druck von 200 bis 300 atm unter Verwendung eines Katalysators, z.B. chro- moxydhaltigen Zinkoxyds, bei Temperaturen von 300 bis 400°C, vorzugsweise bei ungefähr 350°C, nahezu ausschließlich Methanol als Reaktionsprodukt der Edukte Wasserstoff und Kohlenmonoxyd.
Die durch die Siebpresse, Mittel zum Entwässern (3) , beispielsweise die abgepreßte wäßrige biogene Lösung (Flüssigfraktion) wird als Fermentersubstrat eingesetzt. Vorteilhafterweise wird das flüssige Fermentersubstrat mit Hilfe einer Förderpumpe und ggf. eines Plattenschie- 23 bers in einen Fermentationsreaktor (4) gepumpt. Ein solcher Fermentationsreaktor (4) hat vorteilhafterweise ein Gärvolumen von mindestens 300 m3 , insbesondere bevorzugt ist ein Gärvolumen oberhalb von 500 m3. In diesem Reaktor (4) erfolgt die Vergärung der organischen Substanzen bei Temperaturen oberhalb von 35° C, vorteilhafterweise zwischen 36° C und 38° C. Bevorzugt ist (sind) diesem/n Re- aktionsreaktor (en) (4) ein oder mehrere weitere Reaktionsreaktor (en) nachgeschaltet. Durch die Vergärung des Fermentersubstrats in zwei oder mehreren Reaktoren kann das Fermentationssubstrat unter verschiedenen verfahrenstechnischen Bedingungen sukzessive Vergärungsschritte durchlaufen. Insbesondere ist hierbei eine kontinuierliche Steigerung der Reaktionstemperatur in der Reihenfolge der Reaktoren möglich, weswegen ein breites Spektrum von Mikroorganismen, jeweils unter Berücksichtigung des spezifischen Temperaturoptimums , für deren jeweilige Stoff- wechselvorgänge, an der Fermentation beteiligt werden kann. Insoweit kann ein weitestgehender Abbau der organi- sehen Substanzen sichergestellt werden, und gleichzeitig ist eine kontinuierliche Durchführung der Fermentation möglich.
Typischerweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei Reaktoren (4) auf, wobei der erste Reaktor bei einer Temperatur von 30 bis 40°C, der zweite Reaktor bei einer Temperatur oberhalb von 50° C arbeitet. Die Verweilzeiten des Fermentationssubstrats in den beiden Reaktoren können je nach den vorliegenden Gegebenheiten variiert werden. 24
Sofern das flüssige Fermentersubstrat 2 oder mehrere Reaktoren durchläuft, betragen sie bis zu 15 Tage, typischerweise zwischen 5 und 10 Tage, insbesondere zwischen 3 und 10 Tage. Nach Abschluß der Fermentation im letzten, z.B. im zweiten Reaktor, tritt die fermentierte Suspension über einen Ablauf aus. Vorteilhafterweise gelangt sie hierauf in einen Sammelbehälter.
Jeder Fermentationsreaktor (4) kann mindestens ein, typi- scherweise zwei Rührwerk (e) aufweisen. Das (die) Rührwerk (e) stellen aufgrund ihrer Mischungswirkung eine gleichmäßige Fermentation des Substrats sicher. Zudem erfolgt hierdurch eine effektive Wärmeübertragung zwischen dem Reaktorinhalt und den bevorzugt vorhandenen Heizele- menten des (der) Reaktors/en. Beim Einsatz von zwei oder mehreren Rührwerken ist deren Verteilung über den gesamten Reaktorraum vorteilhaft.
Die Heizelemente des Reaktors können einen eigenen Heiz- kreis bilden, der bevorzugt Außenwandheizung, Verteiler, Umwälzpumpe und Meß- und Regelungselemente umfaßt. Vorteilhafterweise weist jeder Reaktor (4) einen eigenen, unabhängigen Heizkreis auf. Die Heizelemente erlauben typischerweise die Einstellung von Temperaturen zwischen 20 und 80°C. Wärmeverluste der Reaktoren (4) können durch Ummantelung mit Isolationsschichten aus Mineralwolle wei- testgehend unterbunden werden. 25
Jeder Fermentationsreaktor (4) weist einen Gasraum auf, •in dem sich die gasförmigen Endprodukte der Fermentation von flüssigem Fermentersubstrat ansammeln. Das auf diesem Wege produzierte Biogas wird aus dem Gasraum abgezogen und dann bestimmungsgemäß weiterverwendet. Die Temperaturen und Drücke im Reaktor (4) werden laufend kontrolliert. In Form eines Regelkreises kann dann die Beschik- kung des Reaktors mit abgepreßter Lösung und/oder der Abzug des Biogases aus dem Reaktorgasraum entsprechend re- guliert werden. Der Reaktor (4) kann vorteilhafterweise eine Überdrucksicherung aufweisen, um eine sichere Be- triebsführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu gestatten.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungungsform umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung zudem einen oder mehrere Mischbehälter. In diesem Fall kann die wäßrige biogene Substratlösung vor der Beschickung des ersten Reaktors mit Feststoffen versetzt werden. Feststoff und Fermentersubstrat werden zunächst, z.B. durch ein oder mehrere Rührwerke, zerkleinert und hierdurch vermischt. Sobald der Feststoff gelöst vorliegt, fördert eine Pumpe die Suspension in den (die) Reaktor(en) (4). Die Beschik- kung von Reaktoren (4) kann demnach über die Zufuhr von abgepreßter biogener wäßriger Lösung, nach Mischung der Flüssigfraktion mit Feststoff oder aber als Kombination der beiden vorgenannten Beschickungsarten erfolgen. 26
Weitere optionale Elemente des (der) Reaktor (en) (4) in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist (sind) ein oder mehrere Absaugpumpe (n) , die im oberen oder im unteren Bereich des (der) Reaktors/en vorgesehen sein kann (können) . Diese Absaugpumpen erlauben die Austragung von Schwerstoffen am Boden der Reaktoren bzw. die Austragung etwaiger Leichtstoffe im oberen Bereich der Reaktoren. Typischerweise gestattet eine Öffnung in jedem Reaktor Wartungs- und Reparaturarbeiten.
Die pro Jahr erzeugte Biogasmenge beträgt beispielsweise zwischen 500.000 und 1.000.000 m3 , abhängig von der Beschickung, den Laufzeiten und der Größe bzw. der Zahl der Reaktoren.
Das aus dem oberen Bereich des (der) Fermentationsreak- tors/en (4) abgezogene Biogas kann einem Heizkraftwerk (10) und/oder einem Druckreaktor (5) der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt werden. Vorteilhafterweise er- folgt nach dem Abzug des Biogases aus den Reaktoren zunächst eine Kondensatabscheidung durch Kühlung mit Wasser und danach eine Entschwef lung durch Oxidation des im Biogas enthaltenen Schwefelwasserstoffs durch stöchiome- trische Luftzugabe. Daraufhin kann das Biogas zunächst in einem oder mehreren Gasspeichern zwischengespeichert werden. Diese Gasspeicher sind typischerweise als Folienspeicher mit Außenbehälter ausgelegt. 27
Das ggf. getrocknete und entschwefelte Biogas wird vorteilhafterweise zum größten Teil einem Heizkraftwerk (10) zugeführt. In diesem Heizkraftwerk (10) wird die im Biogas gespeicherte chemische Energie durch Verbrennung des- selben freigesetzt. Diese chemische Energie kann zur Stromerzeugung, z.B. zur Stromerzeugung für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, genutzt werden. Besonders geeignet für die Umwandlung der chemischen Energie in Strom sind Blockheizkraftwerke. Diese werden typi- scherweise mit Gasmotoren und/oder Gasturbinen betrieben, die mit einem Verstromungsaggregat und einem Wärmetauscher ausgestattet sein können. Der Wärmeaustauscher kann auch dazu herangezogen werden, den Wärmebedarf für die Temperierung des (der) Reaktor (en) zu decken.
Der in dem (den) Fermentationsreaktor (en) (4) vergorene flüssige Rückstand bzw. die vergorene Suspension kann durch eine Presse entwässert werden. Der dabei erhaltene flüssige Rückstand kann dann als Flüssigdünger für die Landwirtschaft eingesetzt werden. Gleichfalls kann der nach dem Pressen verbliebene feste Rückstand als Dünger aufbereitet werden.

Claims

28Ansprüche
1. Verfahren zur Aufbereitung von Reststoffgemengen und zur Konversion von kohlenstoffhaltigen Rest- oder Rohstoffen in den Reststoffgemengen, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) die in den Reststoffgemengen enthaltenen kohlenstoffhaltigen Rest- oder Rohstoffe von anorganischen und/oder metallischen Materialien getrennt werden, (b) die kohlenstoffhaltigen Rest- oder Rohstoffe entwässert und pelletiert werden, (c) das im Zuge der Entwässerung anfallende Abpress- wasser in einem oder mehreren Reaktoren einer Fermentation unterzogen wird, (dl) das im Zuge der Fermentation (c) gebildete Biogas in mindestens einem Kraftwerk zur Energieσe- winnung eingesetzt und/oder (d2)das Biogas mindestens einem Druckreaktor zugeführt und dort mit den gemäß (b) pelletierten Rest- oder Rohstoffen aufgeschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemäß (a) von den metallischen oder anorganischen Feststoffen getrennten kohlenstoffhaltigen Rest- oder Rohstoffe zerkleinert und/ oder gesiebt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasseranteil in den gemäß (b) pel- letierten Rest- oder Rohstoffen vor der Zufuhr in 29
einen Druckreaktor auf höchstens 25 Gew.-% vermindert wird.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß die nicht-gasförmigen Fer- mentierungs-produkte gemäß (c) in eine flüssige und eine feste Phase aufgetrennt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Phase durch eine Entwässerungspres- se von der festen Phase abgeschieden wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufschlußreaktion (d2) im Druckreaktor bei einer Temperatur zwischen 550 °C und 850 °C durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufschlußreaktion (d2) als Wasserdampfdruckreaktion erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von den bei der Aufschlußreaktion (d2) im Druckreaktor gebildeten, gasförmi- gen Bestandteilen Wasserstoff abgetrennt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftrennung durch einen Gasfilter erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der abgetrennte Wasserstoff mit Abgasstrom, insbesondere kohlenmonoxidhaltigen Abgasen, zu Methanol umgesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Energiegewinnung aus Biogas (dl) im Kraftwerk gebildete Abgasstrom zur Methanolsynthese eingesetzt wird. 3 0
12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Abtrennung des Wasserstoffs verbliebenen, gasförmigen Bestandteile dem Kraftwerk zugeführt und zur Energiegewinnung eingesetzt wer- den.
13. Vorrichtung zur Aufbereitung von Reststoffgemengen und zur Konversion von kohlenstoffhaltigen Restoder Rohstoffen in den Reststoffgemengen zur Durch- führung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Fermentierungsreaktor , mindestens ein Kraftwerk und mindestens einen Druckreaktor aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Druckreaktor (en) als Wasserdampf- druckreaktor (en) ausgestaltet ist (sind).
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch ge- kennzeichnet, daß das (die) Kraftwerk (e) als Blockheizkraftwerk (e) mit Gasmotor- und/oder Gasturbinenbetrieb ausgestaltet ist (sind) .
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