WO2008095589A1 - Hydrothermale karbonisierung von biomasse - Google Patents

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WO2008095589A1
WO2008095589A1 PCT/EP2008/000304 EP2008000304W WO2008095589A1 WO 2008095589 A1 WO2008095589 A1 WO 2008095589A1 EP 2008000304 W EP2008000304 W EP 2008000304W WO 2008095589 A1 WO2008095589 A1 WO 2008095589A1
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pressure vessel
controllable
biomass
catalyst
water
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PCT/EP2008/000304
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Lothar Hofer
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Grenol GmbH
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    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L9/00—Treating solid fuels to improve their combustion
    • C10L9/08—Treating solid fuels to improve their combustion by heat treatments, e.g. calcining
    • C10L9/086—Hydrothermal carbonization
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
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    • C10G2300/10—Feedstock materials
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P30/00—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry
    • Y02P30/20—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry using bio-feedstock

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for the hydrothermal carbonization of biomass, wherein biomass is converted with water and at least one catalyst in a pressure vessel by increasing the temperature and / or pressure in substances such as coal, oil and / or the like related substances.
  • biomass encompasses all living, dead and / or decomposed organisms. In addition to plants, these include, in particular, waste and / or residual wood, straw, grass, manure, leaves, sewage sludge and / or organic household waste.
  • the biomass can be found in different compositions, qualities, sizes and / or the like use, depending on the needs and desired conversion product use.
  • a pressure vessel with biomass consisting essentially of plant products, water and a small amount of a catalyst, in particular citric acid, filled.
  • the pressure vessel is closed and performed under temperature and pressure increase the conversion or implementation of the biomass.
  • the resulting reaction is exothermic, which means that energy is released in the form of heat and / or light.
  • the duration of this conversion process depends on the desired state of the conversion product and has hitherto been, for example, for the conversion of biomass into coal in a time range of about twelve hours.
  • the pressure vessel is maintained at a temperature of about 180 degrees Celsius to about 200 degrees Celsius.
  • the pressure vessel is opened and the Conversion product - in a conversion of biomass into coal small floating on the water coal particles - taken from the pressure vessel.
  • a disadvantage of the previously known hydrothermal carbonization is in addition to the relatively long time duration of the conversion process, in particular the discontinuous process control in which a pressure vessel is first filled, the filled pressure vessel is then pressure-tight, then run in the pressure vessel, the conversion reactions, the pressure vessel is then opened and finally the opened pressure vessel is emptied or the conversion product is removed from the pressure vessel.
  • both the mechanical and / or plant technical effort as well as the operating and personnel costs are so far significant.
  • an effective and cheaper industrial use of the hydrothermal carbonization for substance extraction can not be realized.
  • the object of the present invention in view of the state of the art, is to improve the hydrothermal carbonization of biomass, in particular with regard to the duration of the conversion process and with regard to the manner in which the process is conducted.
  • the technical solution to this problem is the present invention, a method and for the hydrothermal carbonization of biomass, biomass with water and at least one catalyst in a pressure vessel by increasing the temperature and / or pressure in substances such as coal, oil and / or the like related substances is proposed, which is characterized in that a substantially designed as a pipeline with at least one controllable inlet port and at least one controllable outlet pressure vessel via the at least one controllable inlet opening biomass, water and / or at least one catalyst is supplied, the temperature and / or pressure conditions are controlled in the pressure vessel such that the product supplied to the pressure vessel from biomass, water and catalyst is transported in or through the pipeline, wherein biomass, water and catalyst react with each other, and over the at least one controllable outlet opening of the filling material is a reaction product of at least removed.
  • the embodiment according to the invention advantageously realizes a continuous process control.
  • the inventive design of the pressure vessel through a pipeline quasi infinitely many cascaded one behind the other and interconnected pressure vessel can be realized.
  • it is thus advantageously possible to carry out a continuous process, which is particularly advantageous, particularly against the background of an effective and economical industrial use of the hydrothermal carbonization for material production.
  • the mechanical and / or plant-technical effort is reduced, in particular because pumps, shut-off devices and the like facilities that would otherwise occur in cascaded successively arranged and fluidly interconnected pressure vessels, omitted, but at least needed to a much lesser extent.
  • the process according to the invention advantageously permits a continuous supply of biomass, water and / or at least one catalyst.
  • the supply of biomass, water and / or at least one catalyst for filling the pressure vessel can be carried out in parallel, so that biomass, water and / or catalyst are fed individually. Accordingly, a separate supply of biomass, a separate supply of water and / or a separate supply of catalyst are provided.
  • the mixing ratio of the components biomass, water and / or at least one catalyst is carried out via a corresponding control system.
  • the temperature and / or pressure conditions are controlled in the pressure vessel such that the product supplied to the pressure vessel from biomass, water and catalyst defined in or transported through the pipeline.
  • a mass layer traverses the pressure vessel designed as a pipeline during the conversion process.
  • the intermediate products corresponding to the respective time of the conversion process are present at different points along the pipeline at any time.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides lock chambers, which are arranged at different locations along the pipe and in the context of the conversion process, a removal of the present at the corresponding point of the pipeline intermediate product allow, advantageously, while maintaining a continuous process control according to the invention.
  • the supply of biomass, water and / or at least one catalyst via at least one controllable inlet opening of the pressure vessel disposed at least one controllable inlet opening and at least one controllable outlet opening having lock chamber takes place, the lock chamber on the part of the at least one controllable inlet opening with at least one storage reservoir of biomass, water and / or at least one catalyst and on the part of the at least one controllable outlet opening with the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel is connectable.
  • the transport of biomass, water and / or at least one catalyst from the lock chamber takes place in the pressure vessel by pressurization.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the supply of biomass, water and / or at least one catalyst takes place via a piston-pressing device arranged in front of the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel, wherein the piston-pressing device has a chamber with at least one inlet opening, at least one controllable outlet opening and a movable piston in the chamber for pressing befindlichem in the chamber Good.
  • the transport of biomass, water and / or at least one catalyst from the chamber into the pressure vessel is carried out by means of the piston pressurization.
  • the supply of biomass, water and / or at least one catalyst advantageously takes place via an eccentric screw pump with pressure regulation arranged in front of the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel.
  • the transport of filling material located in the pressure vessel is assisted by a controllable conveying device preferably arranged in the pipeline of the pressure vessel, particularly preferably in the form of a controllable conveying screw.
  • the delivery volume of the conveyor can be controlled in advance, preferably via a control device.
  • the screw conveyor extends substantially over the entire length of the pipe of the pressure vessel and is substantially flush with the inner cross section of the pipe of the pressure vessel adapted.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the temperature and / or pressure conditions in the pressure vessel are controlled via the at least one controllable inlet opening and / or the at least one controllable outlet opening, preferably via at least one control device.
  • the pressure vessel is heated.
  • the pipeline of the pressure vessel is at least partially disposed in a container which can be filled with at least one heat transfer medium, preferably oil, and the heating of the pressure vessel is controlled via the temperature of the at least one heat transfer medium in the vessel.
  • at least one heat transfer medium preferably oil
  • the heating of the pressure vessel is controlled via the temperature of the at least one heat transfer medium in the vessel.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention is characterized by using a thickening agent, preferably corn starch and cereal and / or potato starch, for the contents of biomass, water and at least one catalyst.
  • a thickening agent preferably corn starch and cereal and / or potato starch
  • parts or particles of the biomass can float in the water in the pressure vessel and / or deposit in the pressure vessel.
  • cereals and / or cereal-like products or their constituents used as biomass sink due to their specific weight in the pressure vessel, which sometimes leads to blockages in the pressure vessel.
  • biomass used foliage and / or foliage-like products or their components floating in the pressure vessel on which sometimes also leads to blockages in the pressure vessel.
  • the thickener is added in amounts effective to provide a substantially viscous consistency.
  • the thickening agent is first added to the water and / or the catalyst. Subsequently, this viscous water-catalyst mixture is added to the biomass.
  • the removal of the at least one reaction product of the filling material takes place via a separating device arranged downstream of the at least one controllable outlet opening of the pressure vessel, preferably by filtering.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the reaction product is pressed before and / or after removal.
  • Another particularly advantageous embodiment of the invention provides that the supply of biomass, water and / or at least one catalyst, the temperature and / or pressure conditions in the pressure vessel, the transport of the contents through the pressure vessel and / or the removal of the at least one Reaction product of the filling material from the pressure vessel via a control.
  • a control According to the invention, in particular the operating and personnel expenses in the course of the process control can be further reduced.
  • a further embodiment of the invention advantageously provides for fully automatic process control.
  • the temperature in the pressure vessel is kept constant at least over the time duration of the transport of the contents through the pressure vessel.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the temperature in the pressure vessel at least over the duration of the transport of the contents through the pressure vessel in a range between about 140.00 degrees Celsius to about 240.00 degrees Celsius, preferably between about 180.00 Celsius to about 200.00 degrees Celsius is maintained.
  • a device for the hydrothermal carbonization of biomass wherein biomass is converted with water and at least one catalyst in a pressure vessel by increasing the temperature and / or pressure in substances such as coal, oil and / or the like related substances, proposed in which the pressure vessel is formed from at least one pipeline with at least one controllable inlet opening and at least one controllable outlet opening.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention is characterized in that the pipeline between the at least one inlet opening and the at least one outlet opening has at least one bend, preferably at least one substantially U-shaped bend.
  • the at least one pipeline of the pressure vessel is arranged at least partially in a container which can be filled with at least one heat transfer medium, preferably oil.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized by at least one controllable heating device for controlling the temperature in the pressure vessel.
  • the temperature of the heat transfer medium in the container via the heater is controllable.
  • a further embodiment of the invention is advantageously characterized by at least one lock chamber arranged in front of the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel for supplying biomass, water and / or at least one catalyst through the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel, comprising at least one controllable inlet opening and at least one controllable outlet opening.
  • the lock chamber is advantageously connectable on the part of the at least one controllable inlet opening with at least one storage reservoir of biomass, water and / or at least one catalyst and on the part of the at least one controllable outlet opening with the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel.
  • a concrete embodiment of the invention provides that the controllable inlet opening of the pressure vessel, the controllable Outlet opening of the lock chamber forms.
  • a further embodiment of the invention is characterized by at least one pump for controllable and / or controllable pressurization of the lock chamber.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized by a prior to the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel arranged piston-pressing device for supplying biomass, water and / or at least one catalyst through the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel, comprising a chamber with at least one inlet opening , at least one controllable outlet opening and a piston movable in the chamber for pressing material located in the chamber.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized by an eccentric screw pump with pressure regulation arranged in front of the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel for supplying biomass, water and / or at least one catalyst through the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized by a preferably arranged in the pipeline of the pressure vessel controllable conveyor, preferably in the form of a controllable screw conveyor, to support the transport of befindlichem in the pressure vessel Gugut.
  • the delivery volume of the conveyor is controllable, preferably via a control device.
  • Another proposal of the invention is characterized in that the conveyor screw extends substantially over the entire length of the pipeline of the pressure vessel and is adapted substantially flush with the inner cross section of the pipeline of the pressure vessel.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized by a preferably controllable device for heating the pressure vessel.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized by at least one control device for at least partially automatic control of the temperature and / or pressure conditions in the pressure vessel via the at least one controllable inlet opening and / or the at least one controllable outlet opening.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized by at least one separating device arranged downstream of the at least one controllable outlet opening of the pressure vessel, preferably a filter device, via which the removal of the at least one reaction product of the filling material takes place.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized by at least one control device for at least partially automatic control of the supply of biomass, water and / or at least one catalyst, the temperature and / or pressure conditions in the pressure vessel, the transport of the contents through the pressure vessel and / or the removal of the at least one reaction product of the filling material from the pressure vessel.
  • the device according to the invention is designed and / or set up to carry out a method according to the invention at least partially.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an embodiment of a device for the hydrothermal carbonization of biomass in a discontinuous operation according to the prior art
  • FIG. 2 a shows a schematic illustration of an embodiment of an apparatus according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation
  • FIG. 2b in a schematic diagram of another
  • Embodiment of a device according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation Embodiment of a device according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation
  • FIG. 3 in a sectional side view of an embodiment of a pressure vessel according to the invention for hydrothermal Carbonization of biomass in a continuous operation according to Fig. 2a;
  • FIG. 4 shows a schematic side view of an exemplary embodiment of a pressure vessel according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation according to FIG. 2b;
  • 5a-5c show a schematic illustration of an embodiment of an inventive filling of the pressure vessel of a device according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation via a lock chamber.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of an exemplary embodiment of an inventive filling of the pressure vessel of a device according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation via an eccentric screw pump;
  • FIG. 7 is a schematic diagram of an exemplary embodiment of a part of a regulation according to the invention of a device according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation;
  • FIG. 8 is a schematic diagram of an embodiment of a device according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation with a filling via a piston-pressing device;
  • FIG. 11 in a schematic schematic diagram of another
  • Embodiment of a pressure vessel according to the invention of a device according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation Embodiment of a pressure vessel according to the invention of a device according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation.
  • FIG. 1 shows a device for the hydrothermal carbonization of biomass in a discontinuous operation according to the prior art.
  • an existing from biomass with water and at least one catalyst product 1 is filled in a first pressure vessel 2 (start container) and the pressure vessel 2 then sealed pressure-tight.
  • start container the pressure vessel 2
  • the pressure vessel is maintained at a temperature of about 180 degrees Celsius to about 200 degrees Celsius.
  • the duration of this exothermic conversion process in the present case is about twelve hours.
  • the pressure vessel 2 is opened and the conversion product taken from the pressure vessel 2. The removal takes place in the present case via a shut-off device 3 in a pressure vessel 4 (follow container 1).
  • shut-off elements 5 and 7, respectively Connected to the pressure vessel 4 in a correspondingly cascaded manner via shut-off elements 5 and 7, respectively, are further pressure vessels 6 or 8 (follow-up containers 2 to follow-up containers n).
  • the reaction product 10 in this case in particular in the form of coal sludge, finally taken over a shut-9.
  • the withdrawn reaction product is fed to the first pressure vessel 2 (start tank) via a heating pipe system having a pump 11 to utilize the heat of reaction.
  • FIGS. 2 a and 2b each show an exemplary embodiment of a device according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation.
  • a controllable shut-off device 14 is arranged on the side of the controllable inlet opening.
  • a controllable shut-off device 15 is arranged on the side of the controllable outlet opening.
  • the pressure vessel 13 forming the raw pipe is formed straight.
  • the pressure vessel 13 or 13 'forming pipeline via the controllable obturator 14 of the inlet opening of the pressure vessel 13, the existing biomass, water and / or at least one catalyst 12 is supplied and then the pressure vessel 13 or 13' sealed pressure-tight. Then, the temperature and the pressure in the pressure vessel 13 and 13 'are increased. The temperature and / or pressure conditions in the pressure vessel 13 or 13 'are controlled such that the pressure vessel 13 or 13' supplied product 12 is transported independently and preferably defined through the pipeline. The biomass, water and catalyst of the product in the pipeline react with each other. According to the invention, a mass layer passes through the pressure vessel designed as a pipeline during the conversion process.
  • the length of the pipeline determines in connection with the filling quantity - and thus with the size or the diameter of the pipeline - decisive for the duration of the process.
  • the reaction product 16 Via the controllable obturator 15 of the outlet opening of the pressure vessel 13 or 13 ', the reaction product 16, in this case in particular in the form of coal sludge and / or oil-like products, finally for further processing and / or use by opening the obturator 15 is removed.
  • the embodiment according to the invention advantageously allows a continuous operation, wherein via the controllable inlet opening the pressure vessel 13 or 13 'continuously, that is present sometimes at intervals, contents 12 is supplied and via the controllable outlet opening of the pressure vessel 13 or 13' continuously, the In the present case, sometimes also at intervals, the reaction product 16 is taken.
  • the illustrated in Fig. 3 in a sectional side view of the invention illustrated pressure vessel 17 for hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation of Fig. 2a is formed of two straight, different diameter and substantially coaxially arranged extending pipes 18 and 19, an inner tube 18th and an outer tube 19.
  • flanges 20 and 21 are welded.
  • the flanges 20 and 21 are used for receiving or connecting controllable shut-off valves for the inlet opening or the outlet opening of the pressure vessel 17.
  • this is welded via a compensator 22 to the flange 21.
  • the stabilizing ribs 23 in particular prevent damage and / or bending of the outer pipe 19, which due to the weight of the pressure vessel 17, in particular in the filled state and during operation, could be caused by the support relationship way 24 Aufstelllager of the pressure vessel 17.
  • the space between the inner pipe 18 and the outer pipe 19 is present preferably unpressurized, that is, without pressurization with a heat transfer medium (not shown in Fig. 3), preferably a bio / thermal oil, filled, which for heating the pressure vessel 17, in particular the inner pipe 18, is used.
  • a heat transfer medium preferably a bio / thermal oil, filled, which for heating the pressure vessel 17, in particular the inner pipe 18, is used.
  • the heating of the pressure vessel 17 is controlled by the temperature of the oil.
  • This arrangement ensures in a simple manner that the entire process takes place at a uniform or unified temperature.
  • resulting heat energy (reactor heat) is dissipated directly and thus supplied to areas where the conversion process has already taken place or has progressed further. Overheating of individual process sections is thereby prevented.
  • a heat insulation 25 is arranged or applied to the outer pipe 19 of the pressure vessel 17.
  • pressure vessel 26 for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation of Fig. 2b is provided at their free ends with flanges 27 and 28 bent pipe 29 through a closed container 30, which for heating the pipeline 29 preferably unpressurized with a heat transfer medium 31, in this case a bio / thermal oil, is filled.
  • the filling of the pressure vessel with the biomass, water and / or at least one catalyst via at least one lock chamber 32 with a controllable inlet opening and a controllable outlet opening, which in front of the at least one controllable inlet opening of Pressure vessel is arranged.
  • the controllability of the inlet opening of the lock chamber 32 is realized in the present case with a slide 33 which is controllable via an actuator or a drive 34.
  • the controllability of the outlet opening of the lock chamber 32 is realized in the present case with a slide 35 which is controllable via an actuator or a drive 36.
  • the lock chamber 32 can be sealed by means of the controllable slide 33 against a refill bearing 37 for biomass, water and / or catalyst and by means of the controllable slide 35 with respect to the pressure vessel.
  • the filling material 38 consisting of biomass, water and / or at least one catalyst is placed in front of the inlet opening of the With the opening of the inlet opening of the lock chamber 32 through the controllable slide 33 passes - as shown in Fig. 5a - filling material 38 in the lock chamber 32, in this case by falling.
  • the lock chamber 32 which is substantially completely filled with contents 38 ', is then closed by adjusting the controllable slide 33 of the inlet opening of the lock chamber 32 (see Fig. 5b) and then the pressure in the lock chamber 32 is adjusted to the pressure in the pressure container.
  • Fig. 5a the controllable slide 33 of the inlet opening of the lock chamber 32
  • this pressure equalization is symbolically represented by a pressure equalization line 39 between the closed lock chamber 32 and the adjoining the slide 35 of the lock chamber 32 section which is connected to the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel.
  • the pressure equalization takes place in the present case with a pump by means of compressed air or water.
  • the outlet opening of the lock chamber 32 by adjusting the controllable slide 35 is opened (see Fig. 5c).
  • the pressure in the lock chamber 32 is increased, represented symbolically in FIG. 5c by the arrow marked 40. Due to the increase in pressure, the filling material 38 'located in the lock chamber 32 is pressed into the pressure vessel, as shown in FIG. 5c, and the pressure vessel is filled. After emptying the lock chamber 32, this is closed again by adjusting the controllable slide 35 of the outlet opening of the lock chamber 32. Subsequently, the process repeats beginning with Fig. 5a.
  • the filling container 38 of a device 26 according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation is continuously filled with biomass, water and / or at least one catalyst via at least one eccentric screw pump 41 with integrated pressure control 42 supplied, which is arranged in front of the at least one controllable inlet opening of the pressure vessel 29.
  • the pressure in the pressure vessel increases.
  • a control circuit 44 which opens or closes a control element 45 forming the controllable outlet opening of the pressure vessel 43. Due to the process flow in the pressure vessel 43 is in the present case via the pressure in the interior of the pressure vessel 43 to the control element 45 coal 46 dissolved in finely divided, spherical form dissolved in water removed.
  • the once dispersed, spherical coal particles dissolved in the water, the oil and / or the related substances are advantageously removed by filtration, preferably via filtration devices, decanters and / or centrifuges.
  • the wet coal mass is then preferably pressed into carbon pellets having a diameter of about 6 nm to about 60 nm or into briquettes.
  • the coal pellets are advantageously used in particular because of their high purity as a base product for the chemical industry, as a fertilizer or as directly usable or useful for combustion processes.
  • the filtrate is dried by dissolving finely divided, spherical carbon particles dissolved in water, the oil and / or the related substances and recycled as a loose material.
  • the concentration of the catalyst and / or the process or flow time advantageously oil or oil-like products.
  • a device 47 according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation shown in Fig. 8
  • the supply of biomass, water and / or at least one catalyst existing filling 48 takes place in the pressure vessel 49 of the device 47 via a piston-pressing device 50.
  • the piston-pressing device 50 has a chamber 51 with an inlet opening 52, a controllable outlet opening 53 and a piston movable in the chamber 51
  • controllable inlet opening of the pressure vessel 49 is formed by the controllable outlet opening 53 of the piston chamber 51.
  • filling material 48 is first introduced into the piston chamber 51 when the outlet opening 53 is closed and the piston 54 is withdrawn. Subsequently, the filling material 48 located in the piston chamber 51 is pre-pressed to a defined pressure by means of the piston 54. Upon reaching the defined pressure, the slider 55 opens from the piston chamber 51 to the pressure vessel 49 and the piston 51 presses the compressed filling material 48 into the pressure vessel 49. Subsequently, the slide 55 closes the inlet opening of the pressure vessel 49 of the device 47 and thus the outlet opening 53 the chamber 51 of the piston-pressing device 50.
  • this pressure increase is used to a chamber 57 for removal (outlet chamber / lock chamber) of reaction products of the invention in the pressure vessel 49 converted contents with reaction products of the Fill contents.
  • the chamber 57 has a controllable inlet opening 58 and a controllable outlet opening 59.
  • the controllable outlet opening of the pressure vessel 49 is formed by the controllable inlet opening 58 of the chamber 57.
  • the controllability of the inlet opening 58 of the lock chamber 57 is realized in the present case with a slide 60 which is controllable via an actuator or a drive 61.
  • the controllability of the outlet opening 59 of the chamber 57 is realized in the present case with a slide 62, which is controllable via an actuator 63 or a drive 63.
  • the slide 60 To fill the chamber 57 of the slider 60 opens the chamber 57. Before the slider 60 befindliches reaction product of the contents, in this case a water-carbon mixture, is then pressed from the pressure vessel 49 into the open chamber 57. With the completion of this press-fitting process, the slide 60 also closes off the inlet opening 58 of the lock chamber 57 in a pressure-tight manner relative to the pressure vessel 49. The reaction product located in the lock chamber 57 can then via the slider 62 of the Locking chamber 57 are removed, if necessary, sometimes using a controllable pressure equalization tank 64. In Fig. 8, the removal is symbolically represented by the indicated by the reference numeral 65 arrow.
  • the pressure vessel 49 is formed by straight pipe 49, which passes through another, in the present case also designed as a straight pipe line container 66.
  • the space between the pipe 49 of the pressure vessel 49 and the pipe 66 of the container is presently filled with a bio / thermal oil as a heat transfer medium, which is guided for heating the pressure vessel 49 advantageously under pressure in a circuit and heated or heated as needed.
  • the embodiment shown in FIG. 9 differs from the embodiment shown in FIG. 8 of a device according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation by the design of the pressure vessel 49 'and the container 66' through which the pressure vessel is performed.
  • the pressure vessel 49 'of the device 47 of FIG. 9 is formed by a curved pipe 49'.
  • the arrangement of the bends of the pipe 49 ' is advantageously designed so that the lighter biomass / coal is always transported against the buoyancy through the pipe 49'.
  • diaphragms 49 ' are disposed in the pipeline 49' as reflux and / or lift barriers 68 (shown symbolically in FIG. 9).
  • FIG. 10 of a device 47 according to the invention for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation substantially corresponds in structure and mode of operation to the embodiment illustrated in FIG. 8 and described above.
  • the transport of the biomass through the pressure vessel 49 depends on the consistency and / or the composition of the biomass to be filled into the pressure vessel 49.
  • a conveying device 69 in the present case a conveying screw 69 having a screw flight 69, is provided in the pipeline 49 forming the pressure vessel an external slow-speed motor integrated as a drive.
  • the contents of biomass, water and catalyst is transported by rotation of the screw spiral in the pressure vessel to the outlet opening 58 of the pressure vessel 49.
  • the rotational speed of the screw conveyor is controllable and, in addition, the process of the conversion according to the invention.
  • the screw flight is essentially flush with the inner cross section of the pipeline 49 of the pressure vessel 49.
  • the illustrated in Fig. 11 embodiment of a device according to the invention 47 for the hydrothermal carbonization of biomass in a continuous operation corresponds in construction and operation substantially the embodiment shown in Fig. 8 and described above and differs from the embodiment shown in Fig. 10 by
  • the conveyor 69 ' is formed by a controllable pump which controls the pressure gradient between the inlet opening and the outlet opening of the pressure vessel, in particular taking into account the pressure conditions to be maintained for the conversion process.
  • the pressure vessel forming pipe is arranged as a arranged in a large pipe 70 pipe package from present total seven individual pipes 71 and admitted.
  • the large tube 70 serves at the same time as a container for the heat transfer medium. Due to this construction, the erfindungsgenzeße device can be advantageously carried out transportable.
  • Filling material biomass, water and / or catalyst
  • Reaction product (coal dissolved in water in finely divided, spherical form)
  • Filling material biomass, water and / or catalyst

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird. Um die hydrothermale Karbonisierung von Biomasse zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der zeitlichen Dauer des Umwandlungsprozesses als auch hinsichtlich der Art und Weise der Prozessführung, wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass einem im wesentlichen als Rohrleitung mit wenigstens einer steuerbaren Einlassöffnung und wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung ausgebildeten Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung Biomasse, Wasser und/oder wenigstens ein Katalysator zugeführt wird, die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter derart gesteuert werden, dass dem Druckbehälter zugeführtes Füllgut aus Biomasse, Wasser und Katalysator in der Rohrleitung transportiert wird, wobei Biomasse, Wasser und Katalysator miteinander reagieren, und über die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung wenigstens ein Reaktionsprodukt des Füllguts entnommen wird.

Description

Hydrothermale Karbonisierunq von Biomasse
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird.
Der Begriff Biomasse umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung sämtliche lebenden, toten und/oder zersetzten Organismen. Dazu zählen neben Pflanzen insbesondere auch Abfall- und/oder Restholz, Stroh, Gras, Dung, Laub, Klärschlamm und/oder organischer Hausmüll. Die Biomasse kann dabei in unterschiedlichen Zusammensetzungen, Qualitäten, Größen und/oder dergleichen Verwendung finden, je nach Bedarf und gewünschtem Umwandlungsprodukt Verwendung finden.
Bisher wird bei der hydrothermalen Karbonisierung ein Druckbehälter mit im wesentlichen aus pflanzlichen Produkten bestehender Biomasse, Wasser und einer geringen Menge eines Katalysators, insbesondere Zitronensäure, gefüllt. Anschließend wird der Druckbehälter verschlossen und unter Temperatur- und Druckerhöhung die Umwandlung beziehungsweise Umsetzung der Biomasse durchgeführt. Die dabei ablaufende Reaktion ist exotherm, das heißt es wird Energie in Form von Wärme und/oder Licht abgegeben. Die zeitliche Dauer dieses Umwandlungsprozesses hängt von dem angestrebten Zustand des Umwandlungsprodukts ab und liegt bisher beispielsweise für die Umwandlung von Biomasse in Kohle in einem Zeitbereich von etwa zwölf Stunden. Dabei wird der Druckbehälter auf einer Temperatur von etwa 180 Grad Celsius bis etwa 200 Grad Celsius gehalten. Anschließend wird der Druckbehälter geöffnet und das Umwandlungsprodukt - bei einer Umwandlung von Biomasse in Kohle kleine auf dem Wasser schwimmende Kohlepartikel - dem Druckbehälter entnommen.
Nachteilig bei der bisher bekannten hydrothermalen Karbonisierung ist neben der relativ großen zeitlichen Dauer des Umwandlungsprozesses insbesondere die diskontinuierliche Prozessführung, bei der ein Druckbehälter zunächst gefüllt wird, der gefüllte Druckbehälter dann druckdicht verschlossen wird, anschließend in dem Druckbehälter die Umwandlungsreaktionen ablaufen, der Druckbehälter danach geöffnet wird und schließlich der geöffnete Druckbehälter geleert wird beziehungsweise das Umwandlungsprodukt aus dem Druckbehälter entnommen wird. Darüber hinaus sind sowohl der maschinen- und/oder anlagentechnische Aufwand als auch der Bedien- und Personalaufwand bisher erheblich. Ferner ist mit der bisherigen diskontinuierlichen Prozessführung ein effektiver und günstiger industrieller Einsatz der hydrothermalen Karbonisierung zur Stoffgewinnung nicht realisierbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt in Anbetracht des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, die hydrothermale Karbonisierung von Biomasse zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der zeitlichen Dauer des Umwandlungsprozesses als auch hinsichtlich der Art und Weise der Prozessführung.
Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird, vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass einem im wesentlichen als Rohrleitung mit wenigstens einer steuerbaren Einlassöffnung und wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung ausgebildeten Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung Biomasse, Wasser und/oder wenigstens ein Katalysator zugeführt wird, die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter derart gesteuert werden, dass dem Druckbehälter zugeführtes Füllgut aus Biomasse, Wasser und Katalysator in der beziehungsweise durch die Rohrleitung transportiert wird, wobei Biomasse, Wasser und Katalysator miteinander reagieren, und über die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung wenigstens ein Reaktionsprodukt des Füllguts entnommen wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird vorteilhafterweise eine kontinuierliche Prozessführung realisiert. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Druckbehälters durch eine Rohrleitung werden quasi unendlich viele hintereinander kaskadiert angeordnete und miteinander verbundende Druckbehälter realisiert. Insgesamt wird so vorteilhafterweise eine kontinuierliche Prozessführung ermöglicht, was insbesondere vor dem Hintergrund eines effektiven und günstigen industriellen Einsatzes der hydrothermalen Karbonisierung zur Stoffgewinnung besonders vorteilhaft ist. Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der maschinen- und/oder anlagentechnische Aufwand reduziert, insbesondere da Pumpen, Absperrorgane und dergleichen Einrichtungen, die ansonsten bei kaskadiert hintereinander angeordneten und strömungstechnisch miteinander verbundenen Druckbehältern anfallen würden, entfallen, zumindest aber in deutlich geringerem Umfang benötigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt vorteilhafterweise eine kontinuierliche Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator. Die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator zur Füllung des Druckbehälters kann dabei parallel erfolgen, so dass Biomasse, Wasser und/oder Katalysator einzeln zugeführt werden. Dementsprechend sind eine separate Zuführung von Biomasse, eine separate Zuführung von Wasser und/oder eine separate Zuführung von Katalysator vorgesehen. Vorteilhafterweise wird das Mischungsverhältnis der Komponenten Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über ein entsprechendes Steuerungssystem durchgeführt.
Vorteilhafterweise werden die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter derart gesteuert, dass dem Druckbehälter zugeführtes Füllgut aus Biomasse, Wasser und Katalysator definiert in der beziehungsweise durch die Rohrleitung transportiert wird. Erfindungsgemäß durchwandert dabei eine Masse- Schicht während des Umwandlungsprozesses den als Rohrleitung ausgebildeten Druckbehälter. Vorteilhafterweise sind dabei zu jedem Zeitpunkt an unterschiedlichen Stellen entlang der Rohrleitung die zum jeweiligen Zeitpunkt des Umwandlungsprozesses entsprechend vorliegenden Zwischenprodukte vorhanden. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht Schleusenkammern vor, die an unterschiedlichen Stellen entlang der Rohrleitung angeordnet sind und im Rahmen des Umwandlungsprozesses eine Entnahme des an der entsprechenden Stelle der Rohrleitung vorliegenden Zwischenprodukts zu ermöglichen, vorteilhafterweise bei beziehungsweise unter Aufrechterhaltung einer erfindungsgemäßen kontinuierlichen Prozessführung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über wenigstens eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete, wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung aufweisende Schleusenkammer, wobei die Schleusenkammer seitens der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung mit wenigstens einem Vorratsspeicher an Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator und seitens der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung mit der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters verbindbar ist. Vorteilhafterweise erfolgt der Transport von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator aus der Schleusenkammer in den Druckbehälter durch Druckbeaufschlagung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Kolben-Presseinrichtung erfolgt, wobei die Kolben-Presseinrichtung eine Kammer mit wenigstens einer Einlassöffnung, wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung und einem in der Kammer bewegbaren Kolben zum Pressen von in der Kammer befindlichem Gut aufweist. Vorteilhafterweise erfolgt der Transport von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator aus der Kammer in den Druckbehälter durch mittels des Kolbens aufgebauter Druckbeaufschlagung.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung erfolgt die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator vorteilhafterweise über eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Excenterschneckenpumpe mit Druckregelung.
Vorteilhafterweise wird der Transport von sich in dem Druckbehälter befindlichem Füllgut unterstützt durch eine vorzugsweise in der Rohrleitung des Druckbehälters angeordnete steuerbare Fördereinrichtung, besonders bevorzugt in Form einer steuerbaren Förderschnecke. Das Fördervolumen der Fördereinrichtung ist voreilhafterweise steuerbar, vorzugsweise über eine Regeleinrichtung. In einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Förderschnecke im wesentlichen über die gesamte Länge der Rohrleitung des Druckbehälters und ist im wesentlichen bündig an den Innenquerschnitt der Rohrleitung des Druckbehälters angepasst.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und/oder die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung gesteuert werden, vorzugsweise über wenigstens eine Regeleinrichtung.
Vorteilhafterweise wird der Druckbehälter beheizt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Rohrleitung des Druckbehälters zumindest teilweise in einem mit wenigstens einem Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Öl, füllbaren Behältnis angeordnet und wird die Beheizung des Druckbehälters über die Temperatur des wenigstens einen Wärmeübertragungsmediums in dem Behältnis gesteuert. Durch eine entsprechende erfindungsgemäße Anordnung ist auf einfache Art und Weise sicherstellbar, dass der gesamte Prozessablauf bei einer einheitlichen beziehungsweise vereinheitlichten Temperatur erfolgt. Ferner wird so im Rahmen des Prozessablaufs an den jeweiligen Stellen in der Rohrleitung entstehende Wärmeenergie (Reaktorwärme) unmittelbar abgeführt und so Bereichen zugeführt, an denen der Umwandlungsprozess bereits stattgefunden hat beziehungsweise weiter vorangeschritten ist. Voreilhafterweise wird so insbesondere eine Überhitzung einzelner Prozessabschnitte verhindert.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch Verwendung eines Eindickmittels, vorzugsweise Speisestärke wie Getreide- und/oder Kartoffelstärke, für das Füllgut aus Biomasse, Wasser und wenigstens einem Katalysator. In Abhängigkeit von Art und Ausgestaltung der Biomasse können Teile beziehungsweise Partikel der Biomasse in dem Wasser im Druckbehälter schwimmen und/oder sich im Druckbehälter ablagern. So sinken beispielsweise als Biomasse verwendetes Getreide und/oder getreideähnliche Produkte beziehungsweise deren Bestandteile aufgrund ihres spezifischen Gewichts in dem Druckbehälter ab, was mitunter zu Verstopfungen im Druckbehälter führt. Als Biomasse verwendetes Laub und/oder laubähnliche Produkte beziehungsweise deren Bestandteile schwimmt in dem Druckbehälter auf, was mitunter ebenfalls zu Verstopfungen im Druckbehälter führt. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Eindickmittels sind diese Problematiken des Absinkens und/oder Aufschwimmens von Biomasseteilchen umgehbar und damit beseitigbar. Vorteilhafterweise wird das Eindickmittel in Mengen zugegeben, die bewirken, dass eine im wesentlichen zähflüssige Konsistenz erzielt wird. Vorteilhafterweise wird das Eindickmittel zunächst dem Wasser und/oder dem Katalysator zugegeben. Anschließend wird dieses zähflüssige Wasser- Katalysatorgemisch der Biomasse zugegeben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts über eine nach der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung des Druckbehälters angeordnete Trenneinrichtung, vorzugsweise durch Filterung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsprodukt vor und/oder nach der Entnahme gepresst wird.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator, die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter, der Transport des Füllguts durch den Druckbehälter und/oder die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts aus dem Druckbehälter über eine Regelung erfolgt. Erfindungsgemäß ist so insbesondere der Bedien- und Personalaufwand im Rahmen der Prozessführung weiter reduzierbar. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vorteilhafterweise eine vollautomatische Prozessführung vor.
Vorteilhafterweise wird die Temperatur im Druckbehälter zumindest über die zeitliche Dauer des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter konstant gehalten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Temperatur im Druckbehälter zumindest über die zeitliche Dauer des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter in einem Bereich zwischen etwa 140,00 Grad Celsius bis etwa 240,00 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen etwa 180,00 Grad Celsius bis etwa 200,00 Grad Celsius gehalten wird. Zur technischen Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird, vorgeschlagen, bei welcher der Druckbehälter aus wenigstens einer Rohrleitung mit wenigstens einer steuerbaren Einlassöffnung und wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung ausgebildet ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung zwischen der wenigstens einen Einlassöffnung und der wenigstens einen Auslassöffnung wenigstens eine Biegung aufweist, vorzugsweise wenigstens eine im wesentlichen U-förmige Biegung.
Vorteilhafterweise ist die wenigstens eine Rohrleitung des Druckbehälters zumindest teilweise in einem mit wenigstens einem Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Öl, füllbaren Behältnis angeordnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine steuerbare Heizeinrichtung zur Regelung der Temperatur in dem Druckbehälter.
Vorteilhafterweise ist die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums in dem Behältnis über die Heizeinrichtung steuerbar.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhafterweise gekennzeichnet durch wenigstens eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Schleusenkammer zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters, aufweisend wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung. Die Schleusenkammer ist vorteilhafterweise seitens der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung mit wenigstens einem Vorratsspeicher an Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator und seitens der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung mit der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters verbindbar. Eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters die steuerbare Auslassöffnung der Schleusenkammer bildet. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine Pumpe zur steuerbaren und/oder regelbaren Druckbeaufschlagung der Schleusenkammer.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Kolben-Presseinrichtung zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters, aufweisend eine Kammer mit wenigstens einer Einlassöffnung, wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung und einem in der Kammer bewegbaren Kolben zum Pressen von in der Kammer befindlichem Gut.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Excenterschneckenpumpe mit Druckregelung zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine vorzugsweise in der Rohrleitung des Druckbehälters angeordnete steuerbare Fördereinrichtung, vorzugsweise in Form einer steuerbaren Förderschnecke, zur Unterstützung des Transports von sich in dem Druckbehälter befindlichem Füllgut. Vorteilhafterweise ist das Fördervolumen der Fördereinrichtung steuerbar, vorzugsweise über eine Regeleinrichtung. Ein weiterer Vorschlag der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Förderschnecke im wesentlichen über die gesamte Länge der Rohrleitung des Druckbehälters erstreckt und im wesentlichen bündig an den Innenquerschnitt der Rohrleitung des Druckbehälters angepasst ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine vorzugsweise steuerbare Einrichtung zum Beheizen des Druckbehälters.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine Regeleinrichtung zur zumindest teilautomatischen Steuerung der Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und/oder die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine nach der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung des Druckbehälters angeordnete Trenneinrichtung, vorzugsweise Filtereinrichtung, über welche die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine Regeleinrichtung zur zumindest teilautomatischen Steuerung der Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator, der Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter, des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter und/oder der Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts aus dem Druckbehälter.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgebildet und/oder eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zumindest teilweise auszuführen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem diskontinuierlichen Betrieb gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2a in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb;
Fig. 2b in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres
Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb;
Fig. 3 in einer geschnittenen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Druckbehälter zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach Fig. 2a;
Fig. 4 in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Druckbehälter zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach Fig. 2b;
Fig. 5a - 5c in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Befüllung des Druckbehälters einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb über eine Schleusenkammer;
Fig. 6 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Befüllung des Druckbehälters einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb über eine Excenterschneckenpumpe;
Fig. 7 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine einen Teil einer erfindungsgemäßen Regelung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb;
Fig. 8 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb mit einer Befüllung über eine Kolben-Presseinrichtung;
Fig. 9 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb mit einer Befüllung über eine Kolben- Presseinrichtung; Fig. 10 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach Fig. 8;
Fig. 11 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres
Ausfϋhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach Fig. 8 und
Fig. 12 in einer schematischen Querschnittsansicht ein weiteres
Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Druckbehälter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem diskontinuierlichen Betrieb gemäß dem Stand der Technik. Dabei wird ein aus Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator bestehendes Füllgut 1 in einen ersten Druckbehälter 2 (Startbehälter) gefüllt und der Druckbehälter 2 dann druckdicht verschlossen. Anschließend wird unter Temperatur- und Druckerhöhung in dem Druckbehälter 2 die Umwandlung beziehungsweise Umsetzung der Biomasse durchgeführt. Dabei wird der Druckbehälter auf einer Temperatur von etwa 180 Grad Celsius bis etwa 200 Grad Celsius gehalten. Die zeitliche Dauer dieses exotherm ablaufenden Umwandlungsprozesses beträgt vorliegend etwa zwölf Stunden. Anschließend wird der Druckbehälter 2 geöffnet und das Umwandlungsprodukt dem Druckbehälter 2 entnommen. Die Entnahme erfolgt vorliegend über ein Absperrorgan 3 in einen Druckbehälter 4 (Folgebehälter 1 ). An den Druckbehälter 4 schließen sich entsprechend kaskadiert über Absperrorgane 5 beziehungsweise 7 weitere Druckbehälter 6 beziehungsweise 8 (Folgebehälter 2 bis Folgebehälter n) an. Dem sich am Ende der Kaskade befindenden Druckbehälter 8 wird das Reaktionsprodukt 10, vorliegend insbesondere in Form von Kohleschlamm, schließlich über ein Absperrorgan 9 entnommen. Das entnommene Reaktionsprodukt wird dabei vorliegend zur Nutzung der Reaktionswärme über ein eine Pumpe 11 aufweisendes Heizrohrleitungssystem dem ersten Druckbehälter 2 (Startbehälter) zugeführt. Insgesamt sind der maschinen- und/oder anlagentechnische Aufwand als auch der Bedien- und Personalaufwand bei einer solchen diskontinuierlichen Prozessführung erheblich, insbesondere angesichts der zahlreichen Druckbehälter, Absperrorgane und/oder Pumpen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten und Reihenfolgen geöffnet beziehungsweise verschlossen werden müssen, wobei auch noch die jeweiligen Temperatur- und/oder Druckverhältnisse berücksichtigt und eingestellt werden müssen.
Fig. 2a und Fig. 2b zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb. Dabei wird ein aus Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator bestehendes Füllgut 12 in einem aus einer Rohrleitung mit wenigstens einer steuerbaren Einlassöffnung und wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung ausgebildeten Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe 16 wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt. Seitens der steuerbaren Einlassöffnung ist vorliegend ein steuerbares Absperrorgan 14 angeordnet. Seitens der steuerbaren Auslassöffnung ist vorliegend ein steuerbares Absperrorgan 15 angeordnet. Bei dem in Fig. 2a dargestellten Ausführungsbeispiel ist die den Druckbehälter 13 bildende Rohleitung gerade ausgebildet. Bei dem in Fig. 2b dargestellten Ausführungsbeispiel weist die den Druckbehälter 13' bildende Rohleitung zwischen dem Absperrorgan 14 der Einlassöffnung und dem Absperrorgan 15 der Auslassöffnung vorliegend zwei im wesentlichen U-förmige Biegungen auf.
Im Betrieb wird der den Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' bildenden Rohrleitung über das steuerbare Absperrorgan 14 der Einlassöffnung des Druckbehälters 13 das aus Biomasse, Wasser und/oder wenigstens ein Katalysator bestehende Füllgut 12 zugeführt und anschließend der Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' druckdicht verschlossen. Dann werden die Temperatur und der Druck in dem Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' erhöht. Die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' werden dabei derart gesteuert, dass dem Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' zugeführtes Füllgut 12 selbstständig und vorzugsweise definiert durch die Rohrleitung transportiert wird. Dabei reagieren Biomasse, Wasser und Katalysator des Füllguts in der Rohrleitung miteinander. Erfindungsgemäß durchwandert dabei eine Masse-Schicht während des Umwandlungsprozesses den als Rohrleitung ausgebildeten Druckbehälter. Die Länge der Rohrleitung bestimmt in Verbindung mit der Füllmenge - und damit mit der Größe beziehungsweise dem Durchmesser der Rohrleitung - maßgeblich die zeitliche Dauer der Prozessführung. Über das steuerbare Absperrorgan 15 der Auslassöffnung des Druckbehälters 13 beziehungsweise 13' wird das Reaktionsprodukt 16, vorliegend insbesondere in Form von Kohleschlamm und /oder Öl-ähnlichen Produkten, schließlich zur weiteren Verarbeitung und/oder Nutzung durch öffnen des Absperrorgans 15 entnommen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt dabei vorteilhafterweise einen kontinuierlichen Betrieb, wobei über die steuerbare Einlassöffnung dem Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' kontinuierlich, das heißt vorliegend mitunter auch in Intervallen, Füllgut 12 zugeführt wird und über die die steuerbare Auslassöffnung des Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' kontinuierlich, das heißt vorliegend mitunter auch in Intervallen, das Reaktionsprodukt 16 entnommen wird.
Der in Fig. 3 in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellte erfindungsgemäße Druckbehälter 17 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach Fig. 2a ist aus zwei geraden, unterschiedliche Durchmesser aufweisenden und im wesentlichen koaxial zueinander angeordnet verlaufenden Rohrleitungen 18 und 19 ausgebildet, einem Innenrohr 18 und einem Außenrohr 19. An den freien Enden der das innere Rohr (Innenrohr 18) bildenden Rohrleitung 18 sind Flansche 20 und 21 angeschweißt. Die Flansche 20 und 21 dienen zur Aufnahmen beziehungsweise zum Anschluss von steuerbaren Absperrorganen für die Einlassöffnung beziehungsweise die Auslassöffnung des Druckbehälters 17. Im Bereich des in Fig. 3 rechts gelegenen Endes der Rohrleitung 18 ist diese über einen Kompensator 22 mit dem Flansch 21 verschweißt. In dem Raum zwischen der inneren Rohrleitung 18 und der äußeren Rohrleitung 19 sind vorliegend über die Länge der Rohrleitungen 18 beziehungsweise 19 verteilt und beabstandet voneinander ringscheibenförmig ausgebildete Stabilisierungsrippen 23 angeordnet. Die Stabilisierungsrippen 23 verhindern insbesondere Beschädigungen und/oder Verbiegungen der äußeren Rohrleitung 19, welche aufgrund des Gewichts des Druckbehälters 17, insbesondere im gefüllten Zustand und im Betrieb, durch die Stützbeziehungsweise Aufstelllager 24 des Druckbehälter 17 verursacht werden könnten.
Der Raum zwischen der inneren Rohrleitung 18 und der äußeren Rohrleitung 19 ist vorliegend vorzugsweise drucklos, das heißt ohne Druckbeaufschlagung mit einem Wärmeübertragungsmedium (in Fig. 3 nicht dargestellt), vorzugsweise einem Bio-/Thermoöl, gefüllt, welches zur Beheizung des Druckbehälters 17, insbesondere der inneren Rohrleitung 18, dient. Vorteilhafterweise wird die Beheizung des Druckbehälters 17 dabei über die Temperatur des Öls gesteuert. Durch diese Anordnung ist auf einfache Art und Weise sichergestellt, dass der gesamte Prozessablauf bei einer einheitlichen beziehungsweise vereinheitlichten Temperatur erfolgt. Ferner wird so im Rahmen des Prozessablaufs an den jeweiligen Stellen in der Rohrleitung 18 entstehende Wärmeenergie (Reaktorwärme) unmittelbar abgeführt und so Bereichen zugeführt, an denen der Umwandlungsprozess bereits stattgefunden hat beziehungsweise weiter vorangeschritten ist. Eine Überhitzung einzelner Prozessabschnitte wird dabei verhindert. Zur weiteren Verbesserung der Beheizung ist auf der äußeren Rohrleitung 19 des Druckbehälters 17 eine Wärmedämmung 25 angeordnet beziehungsweise aufgebracht.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten erfindungsgemäßen Druckbehälter 26 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach Fig. 2b ist eine an ihren freien Enden mit Flanschen 27 und 28 versehene gebogene Rohrleitung 29 durch einen geschlossenen Behälter 30 geführt, welcher zur Beheizung der Rohrleitung 29 vorzugsweise drucklos mit einem Wärmeübertragungsmedium 31 , vorliegend einem Bio-/Thermoöl, gefüllt ist.
Bei dem in den Fig. 5a bis 5c dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Befüllung des Druckbehälters mit dem aus Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über wenigstens eine Schleusenkammer 32 mit einer steuerbaren Einlassöffnung und einer steuerbare Auslassöffnung, welche vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnet ist. Die Steuerbarkeit der Einlassöffnung der Schleusenkammer 32 wird vorliegend mit einem Schieber 33 realisiert, welcher über ein Stellorgan beziehungsweise einen Antrieb 34 steuerbar ist. Die Steuerbarkeit der Auslassöffnung der Schleusenkammer 32 wird vorliegend mit einem Schieber 35 realisiert, welcher über ein Stellorgan beziehungsweise einen Antrieb 36 steuerbar ist. Die Schleusenkammer 32 ist mittels des steuerbaren Schiebers 33 gegenüber einem Nachfülllager 37 für Biomasse, Wasser und/oder Katalysator und mittels des steuerbaren Schiebers 35 gegenüber dem Druckbehälter abdichtbar.
Im kontinuierlichen Betrieb wird das aus Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator bestehende Füllgut 38 vor der Einlassöffnung der Schleusenkammer 32 gelagert, vorliegend in dem Nachfülllager 37. Mit Öffnen der Einlassöffnung der Schleusenkammer 32 durch den steuerbaren Schieber 33 gelangt - wie in Fig. 5a dargestellt - Füllgut 38 in die Schleusenkammer 32, vorliegend durch Fallen. Die im wesentlichen vollständig mit Füllgut 38' gefüllte Schleusenkammer 32 wird dann durch Verstellung des steuerbaren Schiebers 33 der Einlassöffnung der Schleusenkammer 32 geschlossen (vgl. Fig. 5b) und anschließend wird der Druck in der Schleusenkammer 32 auf den Druck in dem Druckbehälter angeglichen. In Fig. 5b ist diese Druckangleichung symbolisch durch eine Druckausgleichleitung 39 zwischen der geschlossenen Schleusenkammer 32 und dem sich nach dem Schieber 35 der Schleusenkammer 32 anschließenden Abschnitt, welcher mit der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters verbundenen ist, dargestellt. Die Druckangleichung erfolgt vorliegend mit einer Pumpe mittels Druckluft oder Wasser. Nach Erreichen des Solldrucks, vorliegend des Angleichdrucks, in der Schleusenkammer 32 wird die Auslassöffnung der Schleusenkammer 32 durch Verstellung des steuerbaren Schiebers 35 geöffnet (vgl. Fig. 5c). Anschließend wird der Druck in der Schleusenkammer 32 erhöht, in Fig. 5c symbolisch durch den mit 40 gekennzeichneten Pfeil dargestellt. Durch die Druckerhöhung wird das sich in der Schleusenkammer 32 befindende Füllgut 38' in den Druckbehälter gedrückt - wie in Fig. 5c dargestellt -und der Druckbehälter gefüllt. Nach Leerung der Schleusenkammer 32 wird diese durch Verstellung des steuerbaren Schiebers 35 der Auslassöffnung der Schleusenkammer 32 wieder geschlossen. Anschließen wiederholt sich der Vorgang beginnend mit Fig. 5a.
Bei dem in den Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dem Druckbehälter 29 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 26 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb das aus Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator bestehende Füllgut 38 kontinuierlich über wenigstens eine Excenterschneckenpumpe 41 mit integrierter Druckregelung 42 zugeführt, welche vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters 29 angeordnet ist.
Bedingt durch die im Zusammenhang der Zuführung von Füllgut in den Druckbehälter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach den Fig. 5a bis 5c mittels einer Schleusenkammer 32 beziehungsweise nach Fig. 6 mittels einer Excenterschneckenpumpe 41 Teil einer erfindungsgemäßen Regelung einer erfindungsgemäßen erhöht sich der Druck in dem Druckbehälter. Zur Regelung der für den Umwandlungsprozess einzuhaltenden Druckverhältnisse wird, wie in Fig. 7 dargestellt, eine solche Innendruckerhöhung in einem erfindungsgemäßen Druckbehälter 43 auf einen Regelkreis 44 geführt, welcher ein die steuerbare Auslassöffnung des Druckbehälters 43 bildendes Regelorgan 45 öffnet beziehungsweise schließt. Bedingt durch den Prozessablauf in dem Druckbehälter 43 ist vorliegend über den Druck im Inneren des Druckbehälters 43 an dem Regelorgan 45 Kohle 46 in feinverteilter, kugelförmiger Form in Wasser gelöst entnehmbar.
Die im Wasser gelösten f einstverteilten, kugelförmigen Kohlepartikel, das Öl und/oder die artverwandten Stoffe werden vorteilhafterweise durch Ausfilterung entnommen, vorzugsweise über Filtriereinrichtungen, Dekantern und/oder Zentrifugen. Die nasse Kohlemasse wird dann vorzugsweise in Kohlepellets mit einem Durchmesser von etwa 6 nm bis etwa 60 nm oder zu Briketts gepresst. Die Kohlepellets werden vorteilhafterweise insbesondere aufgrund ihrer hohen Reinheit als Basisprodukt für die chemische Industrie, als Dünger oder als unmittelbar für Verbrennungsprozesse einsetzbarer beziehungsweise nutzbarer Stoff eingesetzt.
Anstelle einer Kohlepelletsgewinnung wird das Filtrat von in Wasser gelösten feinstverteilten, kugelförmigen Kohlepartikeln, dem Öl und/oder den artverwandten Stoffen getrocknet und als loses Material verwertet. Vorteilhafterweise entstehen bei bestimmten Druck- und/oder Temperaturverhältnissen unter Berücksichtigung der Konzentration des Katalysators und/oder der Prozess- beziehungsweise Durchlaufzeit vorteilhafterweise Öl- beziehungsweise Öl-ähnliche Produkte.
Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 47 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb erfolgt die Zuführung von aus Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator bestehendem Füllgut 48 in den Druckbehälter 49 der Vorrichtung 47 über eine Kolben-Presseinrichtung 50. Die Kolben- Presseinrichtung 50 weist eine Kammer 51 mit einer Einlassöffnung 52, einer steuerbaren Auslassöffnung 53 und einem in der Kammer 51 bewegbaren Kolben
54 zum Pressen von in der Kammer 51 befindlichem Gut auf. Die Steuerbarkeit der Auslassöffnung 53 der Kolbenkammer 51 wird vorliegend mit einem Schieber
55 realisiert, welcher über ein Stellorgan beziehungsweise einen Antrieb 56 steuerbar ist. Vorliegend wird die steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters 49 von der steuerbaren Auslassöffnung 53 der Kolbenkammer 51 gebildet.
Im Rahmen der Zuführung von Füllgut 48 in den Druckbehälter 49 wird zunächst Füllgut 48 bei geschlossener Auslassöffnung 53 und zurückgezogenem Kolben 54 in die Kolbenkammer 51 eingeleitet. Daraufhin wird das sich in der Kolbenkammer 51 befindliche Füllgut 48 mittels des Kolbens 54 auf einen definierten Druck vorgepresst. Bei Erreichen des definierten Drucks öffnet der Schieber 55 von der der Kolbenkammer 51 zu dem Druckbehälter 49 und der Kolben 51 presst das verdichtete Füllgut 48 in den Druckbehälter 49. Anschließend schließt der Schieber 55 die Einlassöffnung des Druckbehälters 49 der Vorrichtung 47 und damit die Auslassöffnung 53 der Kammer 51 der Kolben-Presseinrichtung 50.
Mit Einpressen des vorgepressten Füllguts in den Druckbehälter 49 erhöht sich vorliegend simultan der Druck im Inneren des Druckbehälters 49. Vorliegend wird diese Druckerhöhung dazu genutzt, eine Kammer 57 zur Entnahme (Auslasskammer/Schleusenkammer) von Reaktionsprodukten des im Druckbehälter 49 erfindungsgemäß umgewandelten Füllguts mit Reaktionsprodukten des Füllguts zu füllen.
Die Kammer 57 weist vorliegend eine steuerbare Einlassöffnung 58 und eine steuerbare Auslassöffnung 59 auf. Vorliegend wird dabei die steuerbare Auslassöffnung des Druckbehälters 49 von der steuerbaren Einlassöffnung 58 der Kammer 57 gebildet. Die Steuerbarkeit der Einlassöffnung 58 der Schleusenkammer 57 wird vorliegend mit einem Schieber 60 realisiert, welcher über ein Stellorgan beziehungsweise einen Antrieb 61 steuerbar ist. Die Steuerbarkeit der Auslassöffnung 59 der Kammer 57 wird vorliegend mit einem Schieber 62 realisiert, welcher über ein Stellorgan beziehungsweise einen Antrieb 63 steuerbar ist.
Zur Befüllung der Kammer 57 öffnet der Schieber 60 die Kammer 57. Sich vor dem Schieber 60 befindliches Reaktionsprodukt des Füllguts, vorliegend ein Wasser-Kohlegemisch, wird dann aus dem Druckbehälter 49 in die geöffnete Kammer 57 gepresst. Mit Beendigung dieses Einpressvorganges schließt auch der Schieber 60 die Einlassöffnung 58 der Schleusenkammer 57 druckdicht gegenüber dem Druckbehälter 49 ab. Das sich in der Schleusenkammer 57 befindende Reaktionsprodukt kann dann über den Schieber 62 der Schleusenkammer 57 entnommen werden, bei Bedarf mitunter unter Nutzung eines steuerbaren Druckausgleichbehälters 64. In Fig. 8 ist die Entnahme symbolisch durch den mit dem Bezugszeichen 65 gekennzeichneten Pfeil dargestellt.
Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Druckbehälter 49 durch gerade Rohrleitung 49 ausgebildet, welche durch einen weiteren, vorliegend ebenfalls als gerade Rohleitung ausgebildeten Behälter 66 geführt. Der Raum zwischen der Rohrleitung 49 des Druckbehälters 49 und der Rohrleitung 66 des Behälters ist vorliegend mit einem Bio-/Thermoöl als Wärmeübertragungsmedium, gefüllt, welches zur Beheizung des Druckbehälters 49 vorteilhafterweise unter Druck in einem Kreislauf geführt und bei Bedarf erwärmt beziehungsweise erhitzt wird.
Das in Fig. 9 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 47 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb durch die Ausgestaltung des Druckbehälters 49' und dem Behälter 66' durch den der Druckbehälter durchgeführt ist. Der Druckbehälter 49' der Vorrichtung 47 gemäß Fig. 9 ist dabei durch eine gebogene Rohrleitung 49' ausgebildet. Die Anordnung der Biegungen der Rohrleitung 49' ist dabei vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass die leichtere Biomasse/Kohle immer entgegen dem Auftrieb durch die Rohrleitung 49' transportiert wird. Mitunter sind dazu in der Rohleitung 49' Blenden als Rückfluss- und/oder Auftriebssperren 68 angeordnet (in Fig. 9 symbolisch dargestellt).
Das in Fig. 10 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 47 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb entspricht im Aufbau und der Funktionsweise im wesentlichen dem in Fig. 8 dargestellten und vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Der Transport der Biomasse durch den Druckbehälter 49 hängt unter anderem auch von der Konsistenz und/oder der Zusammensetzung der in den Druckbehälter 49 einzufüllenden Biomasse ab. Um die Vorrichtung 47 weitestgehend unabhängig von der Konsistenz und/oder der Zusammensetzung der in den Druckbehälter 49 einzufüllenden Biomasse betreiben zu können ist in der den Druckbehälter ausbildenden Rohrleitung 49 eine Fördereinrichtung 69, vorliegend eine eine Schneckenwendel 69 aufweisende Förderschnecke mit einem externen Langsamläufer-Motor als Antrieb integriert. Das Füllgut aus Biomasse, Wasser und Katalysator wird durch Drehung der Schneckenwendel im Druckbehälter zur Auslassöffnung 58 des Druckbehälters 49 transportiert. Die Drehgeschwindigkeit der Förderschnecke ist steuerbar und darüber auch der Prozessverlauf der erfindungsgemäßen Umwandlung. Die Schneckenwendel ist vorliegend im wesentlichen bündig an den Innenquerschnitt der Rohrleitung 49 des Druckbehälters 49 angepasst.
Das in Fig. 11 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 47 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb entspricht im Aufbau und der Funktionsweise im wesentlichen dem in Fig. 8 dargestellten und vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel und unterscheidet sich von dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel durch die eingesetzte Fördereinrichtung 69' zur Unterstützung des Transports der Biomasse durch den Druckbehälter 49. Bei dem in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fördereinrichtung 69' durch eine steuerbare Pumpe ausgebildet, welche den Druckgradienten zwischen Einlassöffnung und Auslassöffnung des Druckbehälters geregelt steuert, insbesondere unter Berücksichtigung der für den Umwandlungsprozess einzuhaltenden Druckverhältnisse.
Bei dem in Fig. 12 in einer schematischen Seitenansicht dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckbehälters einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb ist die den Druckbehälter bildende Rohrleitung als ein in einem Großrohr 70 angeordnetes Rohrpaket aus vorliegend insgesamt sieben einzelnen Rohren 71 angeordnet beziehungsweise eingelassen. Das Großrohr 70 dient dabei gleichzeitig als Behälter für das Wärmeübertragungsmedium. Durch diesen konstruktiven Aufbau kann die erfindungsgenmäße Vorrichtung vorteilhafterweise transportabel ausgeführt werden.
Die in den Figuren der Zeichnung dargestellten und im Zusammenhang mit diesen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Bezuqszeichenliste:
1 Füllgut (Biomasse, Wasser und/oder Katalysator)
2 Druckbehälter (Startbehälter)
3 Absperrorgan
4 Druckbehälter (Folgebehälter 1 )
5 Absperrorgan
6 Druckbehälter (Folgebehälter 2)
7 Absperrorgan
8 Druckbehälter (Folgebehälter n) Absperrorgan
10 Reaktionsprodukt (Kohleschlamm)
11 Pumpe
12 Füllgut (Biomasse, Wasser und/oder Katalysator)
13 Druckbehälter/Rohrleitung (gerade) 13' Druckbehälter/Rohrleitung (gebogen)
14 Absperrorgan (Einlassöffnung)
15 Absperrorgan (Auslassöffnung)
16 Reaktionsprodukt (Kohleschlamm)
17 Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse Druckbehälter/Rohrleitung (inneres Rohr) Behälter/Rohrleileitung (äußeres Rohr) Flansch Flansch Kompensator Stabilisierung/Stabilisierungsrippe Stütz-/Aufstelllager Wärmedämmung Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse Flansch Flansch Druckbehälter/Rohrleitung Behälter Wäιmeübertragungsmedium/Bio-/Thermoöl Schleusenkammer Schieber Stellorgan/Antrieb (Schieber (33)) Schieber Stellorgan/Antrieb (Schieber (35)) Nachfülllager/Trichter
Füllgut (Biomasse, Wasser und/oder Katalysator)
' Füllgut (Biomasse, Wasser und/oder Katalysator) in Schleusenkammer (32)
Druckausgleich/Druckausgleichleitung
Druckerhöhung/Pumpe
Excenterschneckenpumpe 41 mit integrierter Druckregelung (42)
Druckregelung (Excenterschneckenpumpe (41 ))
Druckbehälter/Rohrleitung
Regelkreis
Regelorgan
Reaktionsprodukt (in Wasser gelöste Kohle in feinverteilter, kugelförmiger Form)
Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse
Füllgut (Biomasse, Wasser und/oder Katalysator)
Druckbehälter/Rohrleitung
' Druckbehälter/Rohrleitung
Kolben-Presseinrichtung
Kammer/Kolbenkammer
Einlassöffnung (Kammer (51 )) Auslassöffnung (Kammer (51 )) Kolben Schieber Stellorgan/Antrieb (Schieber (55)) Kammer/Schleusenkammer Einlassöffnung (Kammer (57)) Auslassöffnung (Kammer (57)) Schieber Stellorgan/Antrieb (Schieber (60)) Schieber Stellorgan/Antrieb (Schieber (62)) steuerbarer Druckausgleichbehälter Entnahme Reaktionsprodukt Behälter/Rohrleitung ' Behälter Wärmeübertragungsmedium/Bio-/Thermoöl Rückfluss- und/oder Auftriebssperre Fördereinrichtung/Förderschnecke/Schneckenwendel ' Fördereinrichtung/Pumpe Großrohr Rohr/Rohrpaket Wärmeübertragungsmedium/Bio-/Thermoöl

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei
Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem
Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie
Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass einem im wesentlichen als Rohrleitung mit wenigstens einer steuerbaren Einlassöffnung und wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung ausgebildeten
Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung
Biomasse, Wasser und/oder wenigstens ein Katalysator zugeführt wird, die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter derart gesteuert werden, dass dem Druckbehälter zugeführtes Füllgut aus Biomasse, Wasser und
Katalysator in der Rohrleitung transportiert wird, wobei Biomasse, Wasser und Katalysator miteinander reagieren, und über die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung wenigstens ein
Reaktionsprodukt des Füllguts entnommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine kontinuierliche Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter derart gesteuert werden, dass dem Druckbehälter zugeführtes Füllgut aus Biomasse, Wasser und Katalysator definiert in der Rohrleitung transportiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über wenigstens eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete, wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung aufweisende Schleusenkammer erfolgt, wobei die Schleusenkammer seitens der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung mit wenigstens einem Vorratsspeicher an Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator und seitens der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung mit der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters verbindbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator aus der Schleusenkammer in den Druckbehälter durch Druckbeaufschlagung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Kolben-Presseinrichtung erfolgt, wobei die Kolben-Presseinrichtung eine Kammer mit wenigstens einer Einlassöffnung, wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung und einem in der Kammer bewegbaren Kolben zum Pressen von in der Kammer befindlichem Gut aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator aus der Kammer in den Druckbehälter durch mittels des Kolbens aufgebauter Druckbeaufschlagung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Excenterschneckenpumpe mit Druckregelung erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport von sich in dem Druckbehälter befindlichem Füllgut unterstützt wird durch eine vorzugsweise in der Rohrleitung des Druckbehälters angeordnete steuerbare Fördereinrichtung, besonders bevorzugt in Form einer steuerbaren Förderschnecke.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördervolumen der Fördereinrichtung steuerbar ist, vorzugsweise über eine Regeleinrichtung.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Förderschnecke im wesentlichen über die gesamte Länge der Rohrleitung des Druckbehälters erstreckt und im wesentlichen bündig an den Innenquerschnitt der Rohrleitung des Druckbehälters angepasst ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und/oder die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung gesteuert werden, vorzugsweise über wenigstens eine Regeleinrichtung.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter beheizt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung des Druckbehälters zumindest teilweise in einem mit wenigstens einem Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Öl, füllbaren Behältnis angeordnet ist und die Beheizung des Druckbehälters über die Temperatur des wenigstens einen Wärmeübertragungsmediums in dem Behältnis gesteuert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch Verwendung eines Eindickmittels, vorzugsweise Speisestärke wie Getreide- und/oder Kartoffelstärke, für das Füllgut aus Biomasse, Wasser und wenigstens einem Katalysator.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts über eine nach der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung des Druckbehälters angeordnete Trenneinrichtung erfolgt, vorzugsweise durch Filterung.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zu Reaktionsprodukt vor und/oder nach der Entnahme gepresst wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator, die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter, der Transport des Füllguts durch den Druckbehälter und/oder die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts aus dem Druckbehälter über eine Regelung erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Druckbehälter zumindest über die zeitliche Dauer des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter konstant gehalten wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Druckbehälter zumindest über die zeitliche Dauer des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter in einem Bereich zwischen etwa 140,00 Grad Celsius bis etwa 240,00 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen etwa 180,00 Grad Celsius bis etwa 200,00 Grad Celsius gehalten wird.
21. Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei
Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem
Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie
Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter aus wenigstens einer als Rohrleitung mit wenigstens einer steuerbaren Einlassöffnung und wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung ausgebildet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung zwischen der wenigstens einen Einlassöffnung und der wenigstens einen Auslassöffnung wenigstens eine Biegung aufweist, vorzugsweise wenigstens eine im wesentlichen U-förmige Biegung.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rohrleitung des Druckbehälters zumindest teilweise in einem mit wenigstens einem Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Öl, füllbaren Behältnis angeordnet ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, gekennzeichnet durch wenigstens eine steuerbare Heizeinrichtung zur Regelung der Temperatur in dem Druckbehälter.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23 und Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wäremübertragungsmediums in dem Behältnis über die Heizeinrichtung steuerbar ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, gekennzeichnet durch wenigstens eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Schleusenkammer zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters, aufweisend wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleusenkammer seitens der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung mit wenigstens einem Vorratsspeicher an Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator und seitens der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung mit der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters verbindbar ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters die steuerbare Auslassöffnung der Schleusenkammer bildet.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, gekennzeichnet durch wenigstens eine Pumpe zur steuerbaren und/oder regelbaren Druckbeaufschlagung der Schleusenkammer.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, gekennzeichnet durch eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Kolben-Presseinrichtung zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters, aufweisend eine Kammer mit wenigstens einer Einlassöffnung, wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung und einem in der Kammer bewegbaren Kolben zum Pressen von in der Kammer befindlichem Gut.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 30, gekennzeichnet durch eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Excenterschneckenpumpe mit Druckregelung zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 31 , gekennzeichnet durch eine vorzugsweise in der Rohrleitung des Druckbehälters angeordnete steuerbare Fördereinrichtung, vorzugsweise in Form einer steuerbaren Förderschnecke, zur Unterstützung des Transports von sich in dem Druckbehälter befindlichem Füllgut.
33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördervolumen der Fördereinrichtung steuerbar ist, vorzugsweise über eine Regeleinrichtung.
34. Vorrichtung nach Anspruch 32 oder Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Förderschnecke im wesentlichen über die gesamte Länge der Rohrleitung des Druckbehälters erstreckt und im wesentlichen bündig an den Innenquerschnitt der Rohrleitung des Druckbehälters angepasst ist.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 34, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise steuerbare Einrichtung zum Beheizen des Druckbehälters.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 35, gekennzeichnet durch wenigstens eine Regeleinrichtung zur zumindest teilautomatischen Steuerung der Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und/oder die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 36, gekennzeichnet durch wenigstens eine nach der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung des Druckbehälters angeordnete Trenneinrichtung, vorzugsweise Filtereinrichtung, über welche die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts erfolgt.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 37, gekennzeichnet durch wenigstens eine Regeleinrichtung zur zumindest teilautomatischen Steuerung der Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator, der Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter, des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter und/oder der Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts aus dem Druckbehälter.
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass diese ausgebildet und/oder eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20 zumindest teilweise auszuführen.
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