WO2009095015A1 - Verfahren zur karbonisierung organischer substanzen - Google Patents

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WO2009095015A1
WO2009095015A1 PCT/DE2009/075003 DE2009075003W WO2009095015A1 WO 2009095015 A1 WO2009095015 A1 WO 2009095015A1 DE 2009075003 W DE2009075003 W DE 2009075003W WO 2009095015 A1 WO2009095015 A1 WO 2009095015A1
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pressure vessel
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Simon Albert Breitbach
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Simon Albert Breitbach
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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    • C10L5/40—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin
    • C10L5/44—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin on vegetable substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • 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
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    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to a process for the carbonization of organic substances in which they are heated in a closed pressure vessel under exclusion of oxygen under autogenous pressure, wherein for the digestion of the starting materials at the beginning of the process, a catalyst is added, and an apparatus for performing this method.
  • the object of the present invention is to provide an improved process for the carbonation of organic substances of the type mentioned, which allows an economical application on an industrial scale.
  • the solution of this task is carried out according to the independent claims.
  • the present application provides a method and a device for carbonating organic substances of the type mentioned above with the characterizing features of the independent claims.
  • the heat is applied until a temperature of at least about 250 0 C is reached in the interior of the pressure vessel and that upon reaching a predetermined pressure in the interior of the pressure vessel, a pressure relief by opening a valve makes and allows gases to flow from the container ,
  • the inventive method thus operates at a higher temperature than the known method, wherein also the entire process is not performed when the container is closed, but one performs pressure relief via the valve, so that gases can escape from the interior.
  • water vapor escapes through this measure, mainly in the early phase of carbonisation.
  • the duration of the procedure is usually days or weeks.
  • the method according to the invention offers the possibility of directly burning the gases which escape from the interior of the container after the pressure has been released or of collecting them, and thus also of utilizing the energy contained in them.
  • One possibility is to use the heat generated by combustion of these gases to heat the container in the heating phase.
  • Other options are, for example, the heating of the plant separate stoves.
  • the inventive method is exothermic. You can also use the resulting waste heat, for example, by using a heat exchanger, which is in communication with the pressure vessel.
  • An advantage of the solution according to the invention is that the investments in the device required for the application of the method are not too high, this device can be operated without great expertise, for example, after a brief training and that the process may be for a large scale processing accumulating organic substances on the spot.
  • the inventive method is much more effective than traditional methods for the production of charcoal (charcoal kiln), which are otherwise used in these cases so far.
  • the yield of recovered coal in relation to the organic starting material used is two to three times higher than in conventional charring processes.
  • the time duration is also significantly shorter in the method according to the invention.
  • the advantage that the coal is obtained dry and in a state that allows immediate use without further processing steps such as drying or compaction.
  • the invention provides that the valve is closed again when a predetermined pressure in the interior of the pressure vessel is exceeded. It is therefore preferable to use at least one valve, which initially opens automatically after reaching a predetermined maximum pressure and closes again in a later phase when the internal pressure in the container drops again.
  • a pressure relief valve is preferably designed so that it optionally repeatedly opens and closes again during the entire Karbonmaschinesvorgangs, depending on the process.
  • the valve opens and remains open for a certain period of time, so that gases continuously escape during this phase flow to the container.
  • the composition of these gases often changes with the progress of the carbonation process, which is occasionally evident in the color of the gas phase.
  • a point in time occurs at which the evolution of gas in the container decreases, so that the internal pressure drops, the outflow of the gases decreases, and then the at least one valve preferably automatically closes again as a result, if a predetermined pressure value is undershot. The further reaction in the container can then take place in the subsequent process phase without pressure relief.
  • a preferred variant of the task solution according to the invention further provides that at least one valve is designed controllable, whereby the possibility is created to influence the process flow and, for example, to change the set point at which the valve responds and opens or closes.
  • the method according to the invention preferably provides for measurement and monitoring of the pressure and temperature values in the interior of the container, so that it is possible to infer the course of the process and the respective method stage as a function of the development of these parameters.
  • the course of the process is of course dependent inter alia on the composition of the respective organic starting substances which are carbonated in the container.
  • the carbonization is carried out until the pressure in the container has dropped to a predetermined pressure value and / or the temperature in the container has dropped to a predetermined value.
  • pressure and temperature drop below certain levels one can conclude that the reactions occurring in the container are (largely) stopped and the process is ended and the container is opened.
  • a particularly preferred embodiment of the task solution according to the invention provides for the following method sequence:
  • the pressure vessel is heated
  • the aforementioned nominal temperature T 1 is preferably more than 350 ° C., preferably between 400 ° C. and 500 ° C.
  • the target pressure P 1 at which the pressure relief valve opens, at between about 9 and 14 bar.
  • the period of the first phase in which the container is heated is about 3 to 6 hours, preferably about 4 to about 5 hours.
  • the nominal pressure at which the pressure relief valve opens is generally already reached in the heating phase, which is then continued after the valve has been opened.
  • organic substances of any origin can be used as the starting material in the process according to the invention, but preference is given to using those substances which are available inexpensively or are obtained as waste materials.
  • these are, for example, wood, logs or branch wood, which is advantageously pre-comminuted in the pressure vessel, or, for example, or- ganic wastes such as nut shells, palm shreds or the like, which accumulate in large quantities, especially in tropical and subtropical countries. Pre-drying of the starting material is not necessary.
  • the catalyst used may be, for example, citric acid or an iron compound in a manner known per se.
  • the present invention furthermore relates to an apparatus for carrying out a method of the type described above, which is characterized in that it comprises an at least partially double-walled pressure vessel equipped with at least one controllable pressure valve, which is provided with a heating device which is suitable heating the inner wall or the bottom of the container from the outside and further comprising at least one gas outlet tube, wherein the pressure valve is in the region of the gas outlet tube.
  • said device has a closable by means of a lid opening in the upper region and is filled from above with the organic starting substances and it is further provided a further closable opening for the removal of the carbonated end product in the lower region of the pressure vessel.
  • the pressure vessel is connected in its lower part with another container arranged below it, which receives the carbonated end product, the connection between this further container and the pressure vessel by slide or the like can be closed.
  • This variant of the device makes it possible to refill the pressure vessel from above while or before the final removal of the coal takes place.
  • the coal is dropped into the lower tank and closes the connection (for example, a horizontal partition) between both tanks, then the tank can be refilled from above and the charcoal removed from the lower tank later.
  • the setup time between two batches can be greatly reduced.
  • 1 shows a longitudinal section through a pressure vessel for carrying out the method according to the invention according to a possible embodiment of the present invention.
  • 2 shows an embodiment of an apparatus for carrying out the inventive method.
  • FIG. 3 shows the valve settings and gas flow situation when using a system according to FIG. 2 according to the invention.
  • FIG. 1 a possible embodiment of a container which can be used in the method according to the invention is explained by way of example.
  • a pressure vessel made of steel or a suitable iron alloy, which is designated overall by the reference numeral 10.
  • the container 10 has for example a diameter of about 1.5 m and a total height of approximately 3 m (without stand) and is in principle cylindrical with a curved lid 1 1 and a likewise curved bottom 12. At this size, such a container a capacity of a few m 3 .
  • the container 10 is filled from above via a closable filler flap 13 provided in the region of the lid 11.
  • the container 10 is emptied via a closable emptying flap 14 arranged in the lower lateral region.
  • a bottom is not shown here Flanged on burner.
  • Above the actual outer container bottom 12 is an inclined to the container axis arranged heating bottom 15 which extends transversely to the container axis inclined that it opens approximately in the region of the lower boundary of the discharge flap 14.
  • the heating floor 15 and the space 16 under the heating floor are now subjected to the burner flame, and thus the interior space 17 above the heating floor is heated, which is insulated from the outside by suitable insulation. to avoid heat loss.
  • In the interior 17 is to be carbonized organic starting material.
  • a plurality of claws 18 are provided, distributed over the circumference, under which the stands, not shown here, grip, so that the container can be raised altogether, with spring elements for sprung mounting being provided between claws 18 and uprights.
  • This serves to allow the container to vibrate after the carbonation process has ended in order to empty the charcoal from the container via the emptying flap 14.
  • the inclined heating floor 15 also has a supporting effect, since, when the container is shaken, the charcoal slips over the inclined plane and virtually exits from the emptying flap 14 itself.
  • a conveyor belt can be arranged laterally next to the container 10, onto which the product exiting through the emptying flap 14 then falls, so that it can then be removed, for example, in the longitudinal direction. It also has the possibility always two containers side by side mirrored right and left of such a conveyor belt in rows behind the other in the conveying direction set up so that you can collect the charcoal from a larger number of containers on the conveyor belt and promote it to a desired location for removal or further processing.
  • a gas pipe 19 protruding approximately vertically upwards is attached to the container 10, which gas pipe communicates with the interior 17 of the container.
  • a not shown here overpressure valve is mounted, which then responds when the internal pressure in the container exceeds a certain predetermined value, so that then gases can escape via the gas pipe 19 from the container interior.
  • gases can be discharged via a connectable to the gas pipe line and collected in a suitable form, and then to fire for example with these gases the burner, by means of which the container is heated.
  • the heating was stopped and the carbonation process continued without extraneous heating, with the temperature continuing to rise to a maximum temperature of about 295 ° C.
  • the pressure remained at about 16 bar for a while but started about half an hour after completion to sink the heat supply.
  • the temperature in the container was 289 ° C and the pressure had dropped to 4 bar.
  • the temperature in the tank dropped below 200 ° C and the pressure corresponded to atmospheric pressure. The temperature gradually dropped further. After about two more hours, the process could be considered completed and the container can be opened.
  • Example 2 In another embodiment, work was carried out in a larger vessel and a larger amount of organic starting material was carbonated at higher temperatures, with the aim of further optimizing the process for even shorter process times and increasing economy by processing larger batches.
  • a mass of 450 kg of a mixture of organic substances of various origins, namely fresh logs, branches, nut shells of coconuts and palm chips were placed in a pressure vessel with a capacity of 1500 l.
  • the container was double-walled and insulated and operated with an oil burner which heated the inner container. The container was heated to an internal temperature of 450 ° C and then the burner was switched off.
  • the pressure relief valve opened and escaped flammable gases from the container which were flared off.
  • a controllable valve was used on the container so that it was possible to increase the internal pressure at which the valve responds vary. After switching off the external heating further gas escaped from the container, which had towards the end of the process a bluish color. The shutdown of the burner can be done under these conditions after about 4 to 5 hours. After about eight hours of processing time, the process could be stopped and the charcoal removed from the container. It is obtained a charcoal of high quality, which is suitable for example as a charcoal.
  • a digestion catalyst As a catalyst, both a ready compound such as citric acid can be presented as well as a suitable compound can be formed during the reaction.
  • a ready compound such as citric acid
  • a suitable compound can be formed during the reaction.
  • an iron compound in the form of iron oxides at elevated temperature by the water vapor can be generated fresh on arranged in the pressure vessel contact surfaces. These contact surfaces subsequently catalyze the gas phase reactions and facilitate the adjustment of the complex reaction equilibrium during carbonization.
  • the catalyst can advantageously be freshly formed on contact surfaces in situ, which makes the known, separate addition unnecessary and simplifies the reaction.
  • the temperature in the container interior can be determined at least one measuring point within the pressure vessel.
  • the accuracy of the industrial temperature measurement points was in this case especially in areas, the formation of deposits and / or freshly formed reaction products are also covered in the range of + -5 0 C. temperatures are thus only accurate in about and are as reference values with a variation of + - 5 ° C afflicted.
  • the pressure increases in the same direction as the amount of gaseous substances increases.
  • the clearly measurable onset of the exothermic reactions can be determined as part of the carbonation. This becomes clear on the one hand by the independent heat release, on the other hand by the accelerated rising pressure.
  • a specific pressure value can be determined, from which the reaction is autonomously driven by the heat released. Once determined for a substance, this pressure value can be specified constructively as a predetermined maximum value via a valve.
  • the valve Upon reaching the specified pressure, the valve is opened and a pressure relief allows. While in the simple discharge escaping gases with a part of the exothermic heat energy escape and allow a constant, lower reaction pressure in the range of several bar, the pressure relief is achieved in the present case by an additional, advantageous measure:
  • the exiting gas is cooled and then in a closed circuit again fed to the reaction volume in the pressure vessel.
  • the exothermically released energy is discharged here exclusively in the form of heat energy and a constant, slightly reduced pressure in the reaction vessel is achieved.
  • a further increase in the temperature in the pressure vessel is avoided, which simultaneously makes uneven pressure peaks or highly fluctuating reaction processes impossible.
  • the yield of carbon was significantly increased over the general method by the above-described reaction. This can be explained by the fact that the carbon-containing intermediates contained in the gas phase are converted here in addition to pure, utilizable carbon.
  • the extent of carbonation can be estimated from the amount of energy released and the pressure in the pressure vessel.
  • the escaping gas hardly needs to be cooled and the pressure decreases measurably and steadily.
  • the circulated gases are filtered.
  • dusts and inert particles contained in the gas are separated.
  • a substantial amount of minerals and salts released during the reaction are removed from the pressure vessel.
  • especially the salt-induced corrosion of metal surfaces as well as the secondary reactions favored by the heavy metals contained are significantly reduced.
  • an impairment of catalyst contact surfaces is reduced by these extraneous salts, so that the reaction could be performed faster catalyzed with longer life expectancy of the pressure vessel.
  • the escaping gas is cooled isobar in a continuous cycle to the pressure determined in the pressure vessel and returned.
  • Uniform, uniform pressure keeps the chemical activities of the gas phase close to equilibrium until the end of the reaction.
  • the inventors assume that the equilibrium reactions of the complex gas phase are likely to produce substantially carbon as the product, which explains the increased yield and quality.
  • Particularly advantageous is the reaction temperature at the measuring point in the pressure vessel as quickly as possible adjusted to constancy against this background. Constance here means that the measured temperature within 10 minutes has a continuous drift of maximum 5 0 C and thus is constant within the accuracy of the measuring point. With uniformly cooled to a temperature and recycled gas can then be assumed an isothermal reaction with a uniform reaction temperature in the pressure vessel.
  • the heat energy dissipated during the carbonization is stored and / or reused.
  • High efficiencies offer the use of energy as district heating;
  • hot air can be provided by the dissipated heat, which can be used for the drying of organic substances.
  • the energy yield in a second pressure vessel according to the invention, operated in tandem with the first pressure vessel can be additionally improved.
  • uniform predrying of the substances additionally improves the quality and uniformity of starting materials and the products produced therefrom.
  • the gases are circulated actively by means of a circulating device while cooling.
  • a circulating device This allows easier control of the material and energy flows.
  • a more uniform over the reactor volume improved product quality is achieved.
  • the latter can be explained by switching off convective gas flows. Due to the forced recirculation flow of the gas, temperature gradients within the pressure vessel are additionally minimized and convective flows are prevented.
  • the flow profile within the pressure vessel can be additionally improved by more uniform introduction of the cooled gas via baffles, vortex breaker or packing and several inlet openings. Cellulose-containing wastes are advantageously used as organic substances for the production of coal.
  • the cooling temperature of the circulated gas Preferably is controlled with substantially completed carbonization the cooling temperature of the circulated gas to 50 0 C.
  • the cooling is significantly accelerated, the heat energy contained in the pressure vessel at least partially recoverable withdrawn and limited during cooling possible side reactions to a minimum.
  • this measure is taken in a vertical pressure vessel with top filling opening and bottom discharge opening:
  • the carbonization in the batch process ie in each case with a filling performed.
  • the filling can be done by direct dumping from transport vehicles or transport devices, while the discharge of Guts can be done directly in a set up on the underside of the pressure vessel bag or product container of a commercial nature.
  • a controllable reusable outlet valve is connected to the gas outlet pipe (19) of a pressure vessel already generally described above.
  • Multi-way valves in this case refers to valves in which a connection with at least one further of several terminals is connected and interchangeable connectable.
  • a pressure can be specified via the valve function, in which one outlet is open or closed and should be connected to another.
  • the sequence of open and closed valves as a function of pressure limit values can be specified in a particularly simple manner as the opening and closing pressure of individual connections via a previously determined pressure profile.
  • a particularly versatile and adaptable control can take place via an electrically controllable valve, which permits an adaptation of the valve positions on the basis of the measured values during ongoing operation, especially in the case of organic substances of unknown composition.
  • the aforementioned reusable exhaust valve thus allows the controlled discharge of outgoing gases.
  • one of the discharging ports is connected to the outflow-side end of a gas introduction tube.
  • the outflowing gas can be recycled during the carbonation again.
  • the above-described cooling of the gas is already carried out by the heat radiation, which is emitted via the gas outlet tube and gas inlet tube.
  • a device according to the invention provides a heat exchanger which allows the controlled discharge and advantageous utilization of the extracted heat energy via a heat exchanger medium.
  • hot air can be used as a heat exchange medium directly in a device with multiple pressure vessels for drying / heating with high efficiency.
  • a multi-way inlet valve is connected inflow side to the gas inlet tube in an advantageous development of a device according to the invention.
  • hot air may be passed through a port of the reusable inlet valve through the filled pressure vessel and the gas outlet tube to dry the organic material, preferably with waste heat from a parallel carbonation and / or cooling process.
  • the circuit provided for cooling a device according to the invention has a filter for cleaning the circulated gases.
  • multi-stage filters in which initially particles and especially in combination with the cooling condensing impurities can be separated, reduce the pollution of downstream facilities, lines and heat exchanger surfaces. This increases the service life of the system, reduces the cost of regular cleaning and reduces corrosion inside the pressure vessel.
  • a device according to the invention comprises a circulation device in which, for example, by means of a chemical-resistant circulation pump with plastic and / or ceramic blades, the recirculated gas flow in its volume and / or its speed can be controlled.
  • a circulation device in which, for example, by means of a chemical-resistant circulation pump with plastic and / or ceramic blades, the recirculated gas flow in its volume and / or its speed can be controlled.
  • an apparatus has a central heat exchanger which connects a plurality of parallel-guided inventive method with mutual waste heat recovery and provides the residual heat in the form of about 50 0 C hot cooling medium for further utilization.
  • a heat exchanger is characterized by a plurality of terminals, a module for the corellated measured value evaluation and an associated control unit for heat flow distribution, whereby heat flows are regulated and made available to the parallel procedure as required.
  • FIG. 2 illustrates an advantageous embodiment of a device for carrying out the preferred method, comprising a pressure vessel (10) in FIG The shape of a vertically oriented wooden container with wood inlet on the top and carbonated wood outlet on the bottom.
  • a gas outlet pipe is attached, which is connected on the discharge side to one of four connections of a controllable returnable exhaust valve.
  • the outlet valve is connected via a further connection to a series of modules, consisting of a filter, a circulation device and a heat exchanger.
  • the heat exchanger is in turn connected to a gas inlet pipe, which opens into the bottom of the wooden container.
  • the multiway outlet valve connects the gas outlet pipe to the device row and the heat exchanger is connected in a conducting manner to the gas inlet pipe. This results in a closed circuit, only heat energy is in the accordance with the method described above deprived guided in a circle, on the upper side running gases before they are returned with a temperature of about 200 0 C in the pressure vessels.
  • FIG. 3 the switching position of the multiway valve for the various process stages is shown for the device illustrated in FIG.
  • exhaust air is routed via the multi-way outlet valve into the device series and heated in the heat exchanger - preferably with waste heat from a parallel process - up to 140 0 C.
  • This hot air is passed through the filled, sealed pressure vessel and directed via the gas outlet tube to a port of the reusable outlet valve which is connected to the unoccupied port.
  • the controllable gas outlet valve is defined as defining an open circuit.
  • the multi-way outlet valve With completed drying, which can be checked via a moisture sensor in the outflowing hot air at the multi-way outlet valve, the multi-way outlet valve is switched to the switching position shown in Figure 2 and the closed gas cycle is present. For carbonization of the wood is now heated as described above and withdrawn heat with uniform reaction.
  • the heat exchanger After completion of carbonization, the heat exchanger is adjusted in its cooling capacity until a gas temperature of 50 0 C is reached. The plant is thus cooled in the shortest possible time to removal temperature and the carbonizing te wood can be removed after pressure adjustment and ventilation on the circulating device.
  • the object of the present invention provides an extremely accelerated and economical production of high-quality energy sources in the form of carbonization products, such as coal, particularly advantageously with reciprocal use of waste heat.
  • the coal produced by the preferred method is eminently suitable for use in controlled, in particular industrial, controlled processes, since the heating capacity here, whether the uniform density and the improved and uniform burning behavior are controlled much more precisely and simply via the bulk density of a product class can.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen, bei dem diese in einem geschlossenen Druckbehälter (10) unter Ausschluss von Sauerstoff unter Eigendruck erhitzt werden, wobei zum Aufschluss der Ausgangssubstanzen zu Beginn des Verfahrens ein Katalysator zugegeben wird. Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, dass die Wärmezufuhr erfolgt, bis im Innenraum des Druckbehälters eine Temperatur von mindestens etwa 250 °C erreicht ist und dass man bei Erreichen eines vorgegebenen Drucks im lnnenraum (17) des Druckbehälters (10) eine Druckentlastung durch Öffnen eines Ventils vornimmt und Gase aus dem Behälter strömen lässt. Es wurde festgestellt, dass sich bei Einhaltung dieser Prozessparameter ein verbessertes Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen ergibt, welches eine wirtschaftliche Anwendung in industriellem Massstab zulässt. Die Anwendung des Verfahrens ist insbesondere dort interessant, wo organische Abfalle in grossen Mengen anfallen und bislang nach wenig effektiven herkömmlichen Methoden verkohlt werden.

Description

Simon Albert Breitbach Obermendiger Straße 13 56729 Ettringen
Freitag, den 30. Januar 2009
Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen bei dem diese in einem geschlossenen Druckbehälter unter Ausschluss von Sauerstoff unter Eigendruck erhitzt werden, wobei zum Aufschluss der Ausgangssubstanzen zu Beginn des Verfahrens ein Katalysator zugegeben wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Aufgrund der in einiger Zeit zu erwartenden Erschöpfung der natürlichen Erdöl- und Erdgasressourcen ist man auf der Suche nach neuen Energieträgern, die sich dauerhaft nutzen lassen. Interessant sind dabei insbesondere Energieträger, die ein geringeres Gefahrenpotential aufweisen als die Kernkraft und die sich ohne Klima- Schädigung nutzen lassen. Eine der bekannten Möglichkeiten, die Nutzung von Wasserstoff, hat den Nachteil, dass es sich um ein an der Luft hochexplosives Gas handelt, dessen Handhabung schwierig ist, so dass diese Technologie ein hohes Gefahrenpotential birgt. Andere bekannte Methoden zur Nutzung alternativer Energieträger in Form der so genannten nachwachsenden Rohstoffe, zum Beispiel die Gewinnung von Rapsölmethylester aus dem Rapsanbau, haben den Nachteil eines vergleichsweise niedrigen Ertrags pro Hektar Anbaufläche und sind daher zum vollständigen Ersatz fossiler Brennstoffe wenig geeignet.
In jüngerer Zeit wurde daher ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung pflanzlicher Biomasse vorgeschlagen, (siehe Artikel im Internet, „Markus Antonietti kocht Kohle aus organischem Abfall", publiziert unter
Figure imgf000003_0001
Bei diesem Verfahren werden pflanzliche Produkte in einem geschlossenen Druckgefäß mit Wasser versetzt und in Gegenwart eines Katalysators unter Druck und Luftabschluss für eine Zeitdauer von ca. 12 Stunden auf eine Temperatur von ca. 180° C erhitzt. Als Produkt wird eine wässrige schwarze Brühe mit feinst verteilten kugelförmigen Kohlepartikeln
(Kolloiden) erhalten. Der gesamte in dem pflanzlichen Ausgangsmaterial gebundene Kohlenstoff soll dabei in Form kleiner poröser Braunkohlekügelchen gewonnen werden. Es wird weiter berichtet, dass sich bei diesem Verfahren als Vorstufen des vorgenannten Produkts eine humusartige Substanz gewinnen lässt, die sich zur Bodenverbesserung eignet. Bei entsprechend kürzerer Verfahrensdauer sollen sich flüssige Zwischenprodukte gewinnen lassen, bei denen es sich um Vorstufen von Erdöl handelt. Diese Erkenntnisse aus dem Stand der Technik verdeutlichen, dass es sich bei der hydrothermalen Karbonisierung von organischen Substanzen um einen sehr komplexen Vorgang handelt. Die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen sind noch nicht vollständig erforscht. In jedem Fall hat insbesondere die Ver- fahrensführung einen wesentlichen Einfluss auf die erhaltenen Endprodukte.
Bei dem aus dem vorgenannten Stand der Technik bekannten Verfahren wurde mit vergleichsweise kleinen Volumina im Labormaßstab gearbeitet. Die Verhältnisse sind auf einen industriellen Maßstab nicht ohne weiteres übertragbar. Zudem wur- den vergleichsweise niedrige Temperaturen angewandt und es wird in wässriger Lösung gearbeitet. Folglich wird zunächst als Produkt eine Kohle dispergiert in wässrigem Medium erhalten. Das Druckgefäß bleibt während der Reaktion geschlossen, so dass Wasserdampf nicht entweichen kann. Ein Anliegen des bekannten Verfahrens scheint es zudem zu sein, jeglichen Verlust an Kohlenstoff, der in dem Ausgangsmaterial in gebundener Form enthalten ist, zu vermeiden, um eine optimale Energiebilanz zu erzielen (100 %-ige Kohlenstoffeffizienz). Andererseits wird berichtet, dass nach dem bekannten Verfahren eine sehr hochwertige Kohle erhalten wird, die sich beispielsweise für katalytische Prozesse eignet (Aktivkohle oder dergleichen), so dass es eigentlich unter ökonomischen Gesichtspunkten nicht optimal ist, diese Kohle einfach zu verbrennen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, welches eine wirtschaftliche Anwendung in industriellem Maßstab zulässt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Die vorliegende Anmeldung liefert ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Karbonisierung organischer Substanzen der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnen- den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wärmezufuhr erfolgt, bis im Innenraum des Druckbehälters eine Temperatur von mindestens etwa 250 0C erreicht ist und dass man bei Erreichen eines vorgegebenen Drucks im Innenraum des Druckbehälters eine Druckentlastung durch Öffnen eines Ventils vornimmt und Gase aus dem Behälter strömen lässt. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet also bei einer höheren Temperatur als das bekannte Verfahren, wobei zudem der gesamte Prozess nicht bei geschlossenem Behälter durchgeführt wird, sondern man über das Ventil eine Druckentlastung durchführt, so dass Gase aus dem Innenraum entweichen können. Durch diese Maßnahme entweicht zum einen der Wasserdampf, haupt- sächlich in einer frühen Phase der Karbonisierung. In der Folgezeit entweichen dann auch andere Gase, die brennbar sind, wobei in dem Gasgemisch auch kohlenstoffhaltige Gase wie zum Beispiel Methanol, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmono- xid enthalten sein können, so dass das Produkt der Karbonisierung folglich nicht den vollständigen Kohlenstoffgehalt der Ausgangssubstanzen enthält. Dennoch sind eine gute Ausbeute und eine erheblich größere Effektivität erzielbar, als bei den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Holzkohle. Zum einen beträgt bei diesen bekannten Verfahren die Verfahrensdauer in der Regel Tage oder Wochen. Zum anderen bietet das erfindungsgemäße Verfahren ja die Möglichkeit, die Gase, die nach der Druckentlastung aus dem Behälterinnenraum entweichen, unmittelbar zu verbrennen oder diese aufzufangen und somit die in diesen enthaltene Energie ebenfalls zu nutzen. Eine Möglichkeit besteht darin, die durch Verbrennung dieser Gase entstehende Wärme zur Beheizung des Behälters in der Aufheizphase zu nutzen. Man kann beispielsweise auch das Gas der Brennkammer einer Gasturbine zuführen und mittels dieser wiederum einen Generator betreiben, um Strom zu er- zeugen. Weitere Möglichkeiten sind beispielsweise die Beheizung von zu der Anlage separaten Öfen.
Nach Beendigung der ersten Phase der Zufuhr von Fremdenergie zur Beheizung des Druckbehälters verläuft das erfindungsgemäße Verfahren exotherm. Man kann die dabei entstehende Abwärme ebenfalls nutzen, zum Beispiel durch Verwendung eines Wärmetauschers, welcher mit dem Druckbehälter in Verbindung steht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren steht weniger die Erzielung einer 100 %- igen Kohlenstoffeffizienz im Vordergrund, da es möglich ist, als organische Aus- gangssubstanzen solche einzusetzen, die bisher dort wo sie anfallen mit herkömmlichen zeitaufwändigen und wenig effektiven Methoden zu Holzkohle verarbeitet werden. Dies ist beispielsweise bei tropischen Plantagenhölzern oder in Russland der Fall, wo große Mengen an Holzkohle für metallurgische Zwecke benötigt werden. Oder aber es werden geringwertige organische Substanzen verarbeitet, die gemeinhin als Abfallstoffe angesehen werden, wie zum Beispiel Nussschalen von Kokosnüssen, Palmschnitzel oder dergleichen. Eine Verarbeitung vor Ort ist hier erstrebenswert, da der Aufwand von Transportkosten bei diesen geringwertigen Materialien, die in großen Mengen anfallen, nicht gerechtfertigt ist. Ein für diesen Zweck geeignetes Verfahren muss daher einerseits eine wirtschaftliche Verarbeitung solcher organischer Substanzen in großen Mengen zulassen, andererseits aber darf es auch nicht so komplex sein, dass es zur Durchführung technisch ans- pruchsvolle Anlagen benötigt, deren Bedienung ein umfangreiches Know-how erfordert, da dann einerseits die Anlage zu kostenaufwändig wäre und andererseits deren Bedienung nur durch geschulte Fachkräfte möglich wäre. Dies würde eine Anwendung vor Ort beispielsweise in Entwicklungsländern ausschließen oder erheblich erschweren.
Dem trägt die vorliegende Erfindung Rechnung. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass die Investitionen in die zur Anwendung des Verfahrens benötigte Vorrichtung nicht zu hoch sind, sich diese Vorrichtung auch ohne großes Fachwissen beispielsweise nach einer kurzen Einarbeitung bedienen lässt und dass das Verfahren sich gegebenenfalls für eine Verarbeitung in großem Umfang anfallender organischer Substanzen unmittelbar vor Ort eignet. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich effektiver als traditionelle Methoden zur Herstellung von Holzkohle (Holzkohlenmeiler), die sonst bislang in diesen Fällen zur Anwendung kommen. Die Ausbeute an gewonnener Kohle im Verhältnis zur eingesetzten organischen Ausgangssubstanz ist um das zwei bis dreifache höher als bei herkömmlichen Verkohlungsverfahren. Die Zeitdauer ist zudem bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich kürzer. Gegenüber dem eingangs genannten gattungsgemäßen Verfahren besteht unter anderem der Vorteil, dass die Kohle trocken und in einem Zustand gewonnen wird, der den unmittelbaren Einsatz ohne weitere Aufarbeitungsschritte wie zum Beispiel Trocknung oder Kompaktierung zulässt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich Vorteile gegenüber der traditionellen Holzkohleherstellung, zum einen durch das Arbeiten in einem geschlossenen Druckbehälter und durch die Verwendung eines Katalysators zum Aufschluss der organischen Ausgangssubstanzen. Vorzugsweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Ventil wieder geschlossen wird, wenn ein vorgegebener Druck im Innenraum des Druckbehälters unterschritten wird. Man arbeitet also bevorzugt mit wenigstens einem Ventil, welches sich zunächst nach Erreichen eines vorgegebenen Maximaldrucks selbsttätig öffnet und in einer späteren Phase bei wieder Absinken des Innendrucks im Behälter wieder schließt. Ein solches Überdruckventil ist vorzugsweise so ausgebildet, dass es sich gegebenenfalls während des gesamten Karbonisierungsvorgangs mehrfach öffnet und wieder schließt, je nach Verfahrens verlauf. Im Regelfall wird es aber so sein, dass in einer ersten Anfangsphase des Verfahrens der Druck zunächst steigt, bis der Maximaldruck bzw. vorgegebene Sollwert erreicht ist, sich das Ventil öffnet und über eine gewisse Zeitdauer geöffnet bleibt, so dass während dieser Phase kontinuierlich Gase aus dem Behälter strömen. Die Zusammensetzung dieser Gase ändert sich allerdings oft mit Fortschreiten des Karbonisierungsprozesses, was gelegentlich an der Farbe der Gasphase erkennbar ist. Irgendwann tritt dann ein Zeit- punkt auf, an dem die Gasentwicklung im Behälter zurückgeht, so dass der Innendruck sinkt, das Ausströmen der Gase nachlässt und sich in der Folge dann das wenigstens eine Ventil vorzugsweise selbsttätig wieder schließt, wenn ein vorgegebener Druckwert unterschritten wird. Die weitere Reaktion im Behälter kann dann in der sich anschließenden Verfahrensphase ohne Druckentlastung stattfinden.
Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sieht weiterhin vor, dass wenigstens ein Ventil regelbar ausgebildet ist, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, auf den Verfahrensablauf Einfluss zu nehmen und beispielsweise den Sollwert, bei dem das Ventil anspricht und öffnet oder schließt, zu verändern.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht bevorzugt eine Messung und Überwachung der Druck- und Temperaturwerte im Inneren des Behälters vor, so dass man abhängig von der Entwicklung dieser Parameter auf den Verfahrensverlauf und das jeweilige Verfahrensstadium schließen kann. Der Verlauf des Verfahrens ist natür- lieh unter anderem abhängig von der Zusammensetzung der jeweiligen organischen Ausgangssubstanzen, die im Behälter karbonisiert werden. In der Regel geht man so vor, dass man die Karbonisierung solange durchführt, bis der Druck im Behälter auf einen vorgegebenen Druckwert abgesunken ist und/oder die Temperatur im Behälter auf einen vorgegebenen Wert abgesunken ist. Wenn Druck und Temperatur unter gewisse Werte fallen, kann man auf die (weitgehende) Beendigung der im Behälter ablaufenden Reaktionen schließen und das Verfahren beenden und den Behälter öffnen. Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sieht den nachfolgenden Verfahrensablauf vor:
- in einer ersten Phase wird der Druckbehälter aufgeheizt;
- das als Überdruckventil ausgebildete Ventil öffnet sich selbsttätig bei Erreichen eines Solldrucks Pi und Gas entweicht aus dem Behälterinnenraum;
— die Aufheizphase wird fortgesetzt, bis zum Erreichen einer Solltemperatur
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- Gas entweicht weiter über das Überdruckventil und der Prozess verläuft weiter exotherm ohne Beheizung des Behälters;
der Druck im Behälter sinkt und das Überdruckventil schließt sich bei Unterschreiten eines Sollwerts;
Druck und Temperatur im Behälter sinken weiter und bei Erreichen unterer Schwellenwerte wird das Verfahren beendet, der Behälter geöffnet und das Produkt entnommen.
Die vorgenannte Solltemperatur T1 liegt vorzugsweise bei mehr als 350 0C, vorzugsweise bei zwischen 400 0C und 500 0C.
Weiter liegt vorzugsweise der Solldruck P1, bei dem das Überdruckventil öffnet, bei zwischen etwa 9 und 14 bar. Beispielsweise liegt die Zeitdauer der ersten Phase, in der der Behälter aufgeheizt wird, bei etwa 3 bis 6 Stunden, vorzugsweise etwa 4 bis etwa 5 Stunden. Der Solldruck, bei dem das Überdruckventil öffnet, wird im allge- meinen bereits in der Aufheizphase erreicht, die dann nach Öffnen des Ventils noch fortgesetzt wird.
Grundsätzlich kann man als Ausgangsmaterial in dem erfindungsgemäßen Verfahren organische Substanz beliebigen Ursprungs einsetzen, bevorzugt verwendet man aber solche Substanzen, die preiswert verfügbar sind oder als Abfallstoffe anfallen. Dies sind beispielsweise Holz, Stammholz oder Astholz, welches in vorteilhafter Weise vorzerkleinert in den Druckbehälter gegeben wird, oder zum Beispiel or- ganische Abfälle wie Nussschalen, Palmschnitzel oder dergleichen, die insbesondere in tropischen und subtropischen Ländern in großen Mengen anfallen. Eine Vortrocknung des Ausgangsmaterials ist nicht notwendig. Als Katalysator kann man in an sich bekannter Weise beispielsweise Zitronensäure oder eine Eisenverbindung einsetzen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass diese einen mit wenigstens einem regelbaren Druckventil ausgestatte- ten mindestens teilweise doppelwandigen Druckbehälter aufweist, der mit einer Heizvorrichtung versehen ist, die geeignet ist, die Innenwand oder den Boden des Behälters von außen zu erwärmen und der weiterhin wenigstens ein Gasauslassrohr aufweist, wobei sich das Druckventil im Bereich des Gasauslassrohrs befindet.
Vorzugsweise verfügt die genannte Vorrichtung über eine mittels eines Deckels verschließbare Öffnung im oberen Bereich und ist von oben mit den organischen Ausgangssubstanzen befüllbar und es ist weiterhin eine weitere verschließbare Öffnung für die Entnahme des karbonisierten Endprodukts im unteren Bereich des Druckbehälters vorgesehen.
Bei einer möglichen bevorzugten Variante des Druckbehälters ist vorgesehen, dass dieser in seinem unteren Bereich mit einem weiteren darunter angeordneten Behälter verbunden ist, der das karbonisierte Endprodukt aufnimmt, wobei die Verbindung zwischen diesem weiteren Behälter und dem Druckbehälter durch Schieber oder dergleichen verschließbar ist. Diese Variante der Vorrichtung ermöglicht es, den Druckbehälter bereits wieder von oben zu befüllen, während oder bevor die endgültige Entnahme der Kohle erfolgt. Man lässt die Kohle in den unteren Behälter fallen und schließt die Verbindung (zum Beispiel eine horizontale Trennwand) zwischen beiden Behältern wieder, man kann dann von oben her den Behälter erneut befüllen und die Holzkohle aus dem unteren Behälter später entnehmen. Bei dieser Variante kann die Einrichtungszeit zwischen zwei Chargen stark verkürzt werden.
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist hierbei nicht auf die Merkmalskombinationen der Beschreibung oder der Ausführungsbeispiele beschränkt zu sehen. Es versteht sich, dass der erfindungsgemäße Gegenstand gemäß der unabhängigen Ansprüche auch mit einzelnen Merkmalen der Beschreibung oder der Ausführungsbeispiele vorteilhaft kombiniert werden kann.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei veranschaulichen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Druckbehälter für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer möglichen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung. Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- gemäßen Verfahrens.
Figur 3 die Ventileinstellungen und Gasflusssituation bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer Anlage gemäß Figur 2.
Es wird zunächst auf die Figur 1 Bezug genommen und anhand dieser eine mögli- che Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Behälters beispielhaft erläutert. Es handelt sich beispielsweise um einen Druckbehälter aus Stahl oder einer geeigneten Eisenlegierung, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Behälter 10 hat beispielsweise einen Durchmesser von etwa 1 ,5 m und eine gesamte Höhe von annährend 3 m (ohne Ständer) und ist im Prinzip zylindrisch mit einem gewölbten Deckel 1 1 und einem ebenfalls gewölbten Boden 12. Bei dieser Größe hat ein derartiger Behälter ein Fassungsvermögen von einigen m3. Der Behälter 10 wird befüllt von oben her über eine im Bereich des Deckels 1 1 vorgesehene verschließbare Einfüllklappe 13. Die Entleerung des Behälters 10 erfolgt über eine im unteren seitlichen Bereich angeordnete ver- schließbare Entleerungsklappe 14. Zur Beheizung wird unten im Bodenbereich ein hier nicht dargestellter Brenner angeflanscht. Oberhalb des eigentlichen äußeren Behälterbodens 12 befindet sich ein geneigt zur Behälterachse angeordneter Heizboden 15, der so quer zur Behälterachse geneigt verläuft, dass er etwa im Bereich der unteren Begrenzung der Entleerungsklappe 14 mündet. Mittels des Brenners wird nun der Heizboden 15 und der Raum 16 unter dem Heizboden mit der Brennerflamme beaufschlagt und somit wird der oberhalb des Heizbodens liegende Innenraum 17 erwärmt, der nach außen hin durch eine geeignete Isolierung gedämmt ist, um Wärmeverluste zu vermeiden. In dem Innenraum 17 befindet sich das zu karbonisierende organische Ausgangsmaterial.
Außen am Behälter 10 sind über den Umfang verteilt mehrere Pratzen 18 angeb- rächt, unter die hier nicht dargestellte Ständer greifen, so dass der Behälter insgesamt aufgeständert werden kann, wobei zwischen Pratzen 18 und Ständer Federelemente für eine gefederte Lagerung vorgesehen sind. Dies dient dazu, dass man nach Beendigung des Karbonisierungsvorgangs den Behälter in Vibrationen versetzen kann, um die Holzkohle über die Entleerungsklappe 14 aus dem Behälter zu entleeren. Dazu wirkt auch der geneigte Heizboden 15 unterstützend, da bei Rütteln des Behälters die Holzkohle über die schiefe Ebene rutscht und quasi von selbst aus der Entleerungsklappe 14 austritt. Man kann daher bei einer Produktion von Holzkohle in größerem Maßstab ein Förderband seitlich neben dem Behälter 10 anordnen, auf das dann das durch die Entleerungsklappe 14 austretende Produkt fällt, so dass es dann beispielsweise in Längsrichtung abtransportiert werden kann. Man hat dadurch auch die Möglichkeit immer jeweils zwei Behälter nebeneinander spiegelverkehrt rechts und links eines solchen Förderbands in Reihen hintereinander in Förderrichtung aufzustellen, so dass man die Holzkohle von einer größeren Anzahl von Behältern auf dem Förderband sammeln und an einen gewünschten Ort fördern kann für den Abtransport oder die weitere Verarbeitung.
Im oberen Bereich ist am Behälter 10 ein etwa senkrecht nach oben ragendes Gasrohr 19 angebracht, welches mit dem Innenraum 17 des Behälters in Verbindung steht. An dem Verschluss dieses Gasrohrs 19 ist ein hier nicht näher dargestelltes Überdruckventil angebracht, welches dann anspricht, wenn der Innendruck im Behälter einen bestimmten vorgegebenen Wert übersteigt, so dass dann Gase über das Gasrohr 19 aus dem Behälterinneren entweichen können. Diese Gase können über eine an das Gasrohr anschließbare Leitung abgeleitet und in geeigneter Form aufgefangen werden, um dann beispielsweise mit diesen Gasen den Brenner zu befeuern, mittels dessen der Behälter beheizt wird.
Nachfolgend wird anhand von zwei konkreten Beispielen die Prozessführung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren näher erläutert.
Beispiel 1
Es wurde ein Behälter mit einem Fassungsvermögen von ca. 400 I mit 95,5 kg Holzscheiten befüllt, die eine Restfeuchte von ca. 19 % aufwiesen. Zu dieser organi- sehen Ausgangsmasse wurden 50 g handelsüblicher Zitronensäure gegeben und der druckfeste Behälter wurde geschlossen. Die Ausgangstemperatur betrug 20 0 C und es herrschte atmosphärischer Druck. Mit einem Brenner wurde die in dem dop- pelwandigen Behälter enthaltene Ausgangsmasse erhitzt. Nach ca. 2,5 Stunden öff- nete sich bei einer Temperatur von etwa 200 ° C und einem Druck von 16,9 bar das Überdruckventil und ein brennbares Gasgemisch begann aus dem Behälter zu entweichen. Die Beheizung mittels des Brenners wurde für weitere 1 ,75 Stunden fortgesetzt bis eine Temperatur von ca. 260 ° C erreicht war. Dann wurde die Beheizung eingestellt und der Karbonisierungsprozess setzte sich ohne Fremdbeheizung fort, wobei die Temperatur weiter stieg bis auf eine maximale Temperatur von etwa 295 ° C. Der Druck blieb eine Zeit lang bei ca. 16 bar, begann jedoch etwa eine halbe Stunde nach Beendigung der Wärmezufuhr zu sinken. Eine Stunde nach dem Ende der Beheizung und somit 5 % Stunde nach Beginn des Verfahrens betrug die Temperatur im Behälter 289 ° C und der Druck war auf 4 bar abgesunken. Sieben ein halb Stunden nach Beginn des Vorgangs sank die Temperatur im Behälter unter 200 ° C und der Druck entsprach atmosphärischem Druck. Die Temperatur sank allmählich weiter ab. Nach etwa zwei weiteren Stunden konnte der Vorgang als beendet angesehen und der Behälter geöffnet werden. Es wurde eine Art Holzkohle mit einem Endgewicht von 50,5 kg erhalten, deren Gesamtfeuchte bei 105 0 C 0,3 % betrug, mit folgenden weiteren Analysewerten: Asche 710 ° C (wasserfrei) 1 ,9 %, flüchtige Bestandteile (wasserfrei) 23,1 %, nicht flüchtiger Kohlenstoff (wasserfrei) 75,0 %.
Beispiel 2 In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde in einem größeren Behälter gearbeitet und eine größere Menge an organischer Ausgangssubstanz bei höheren Temperaturen karbonisiert, mit dem Ziel, das Verfahren weiter zu optimieren im Hinblick auf eine noch kürzere Verfahrensdauer und die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch Verarbeitung größerer Chargen. Eine Masse von 450 kg eines Gemisches organi- scher Substanzen unterschiedlicher Herkunft, nämlich frisches Stammholz, Astholz, Nussschalen von Kokosnüssen und Palmschnitzel wurden in einen Druckbehälter mit einem Fassungsvermögen von 1500 I gegeben. Dazu wurden 150 ml 10 %-iger Zitronensäure gegeben. Der Behälter war doppelwandig und isoliert und wurde mit einem Ölbrenner betrieben, der den Innenbehälter aufheizte. Der Behälter wurde auf eine Innentemperatur von 450 ° C erhitzt und dann wurde der Brenner ausgeschaltet. Bei einem Innendruck von etwa 12 bar öffnete das Überdruckventil und es entwichen brennbare Gase aus dem Behälter, die abgefackelt wurden. (Selbstver- ständlich ist es im Serienbetrieb ratsam, die brennbaren Gase aufzufangen und entweder zur Beheizung des Prozesses selbst oder die Verbrennungswärme anderweitig zum Beispiel zu Heizzwecken zu nutzen. Im vorliegenden Fall ging es jedoch lediglich um die Feststellung der optimalen Prozessparameter und es wurde eine vereinfachte Anlage für den Versuch verwendet.) Es wurde ein regelbares Ventil an dem Behälter eingesetzt, so dass es möglich war, den Innendruck, bei dem das Ventil anspricht zu variieren. Nach Abschaltung der Fremdbeheizung entwich weiter Gas aus dem Behälter, welches gegen Ende des Prozesses eine bläuliche Farbe aufwies. Die Abschaltung des Brenners kann unter diesen Bedingungen nach ca. 4 bis 5 Stunden erfolgen. Nach etwa achtstündiger Verfahrensdauer konnte der Vorgang beendet und die Holzkohle aus dem Behälter entnommen werden. Es wird eine Holzkohle von hoher Qualität gewonnen, die sich zum Beispiel auch als Grillkohle eignet.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform von erfindungsgemäßem Verfahrens sowie erfindungsgemäßer Vorrichtung wird während der Karbonisierung das entstehende Gas unter Abkühlung im Kreis geführt, was nachfolgend im Detail beschrieben wird.
Das Verfahren wird in Gegenwart eines Aufschluss-Katalysators durchgeführt. Hierbei kann als Katalysator sowohl eine fertige Verbindung wie Zitronensäure vorgelegt werden als auch eine geeignete Verbindung während der Reaktionsführung ausgebildet werden. So kann beispielsweise eine Eisenverbindung in Form von Eisenoxiden bei erhöhter Temperatur durch den Wasserdampf frisch auf im Druckbehälter angeordneten Kontaktflächen erzeugt werden. Diese Kontaktflächen katalysieren nachfolgend die Gasphasenreaktionen und ermöglichen die erleichterte Einstellung des komplexen Reaktionsgleichgewichts während der Karbonisierung. Somit kann der Katalysator vorteilhaft an Kontaktflächen in situ frisch gebildet werden, was die bekannte, separate Zugabe unnötig macht und die Reaktionsführung vereinfacht.
Die Temperatur im Behälterinneren kann an mindestens einem Messpunkt innerhalb des Druckbehälters bestimmt werden. Die Genauigkeit der industriellen Temperaturmesspunkte war hierbei gerade bei Flächen, die zusätzlich Belagbildung und/oder frisch ausgebildeten Reaktionsprodukten bedeckt sind, im Bereich von +-5 0C. Temperaturangaben sind somit nur in etwa genau und sind als Richtwerte mit einer Schwankung von +- 5°C behaftet. Während des Erhitzens der im Druckbehälter eingeschlossenen, organischen Substanzen steigt der Druck mit zunehmender Menge an gasförmigen Stoffen gleichsinnig an. Bei spätestens 250 0C kann das deutlich messbare Einsetzen der exothermen Reaktionen im Rahmen der Karbonisierung festgestellt werden. Dies wird zum einen durch die selbständige Wärmefreisetzung, zum anderen durch den beschleunigt ansteigenden Druck deutlich. Hierbei ist, in Abhängigkeit von Restfeuchte und Art der organischer Substanz, ein spezifischer Druckwert feststellbar, ab dem die Reaktion sich selbständig durch die freigesetzte Wärme antreibt. Einmal für eine Substanz ermittelt, kann dieser Druckwert als vorgegebener Maximalwert über ein Ventil konstruktiv vorgegeben werden.
Mit Erreichen des vorgegebenen Drucks wird das Ventil geöffnet und eine Druckentlastung ermöglicht. Während bei dem einfachen Ausleiten austretende Gase einen Teil der exotherm entstehenden Wärmeenergie mit ausleiten und einen konstanten, niedrigeren Reaktionsdruck im Bereich mehrerer bar ermöglichen, wird vorliegend die Druckentlastung durch eine zusätzliche, vorteilhafte Maßnahme erzielt: Das austretende Gas wird abgekühlt und anschließend in geschlossenem Kreislauf wieder dem Reaktionsvolumen im Druckbehälter zugeführt. Die exotherm freigesetzte Energie wird hierbei ausschließlich in Form von Wärmeenergie ausgeleitet und ein konstanter, leicht erniedrigter Druck im Reaktionsbehälter erzielt. Durch diese spezifische Verfahrensmaßnahme wird ein weiteres Ansteigen der Temperatur im Druckbehälter vermieden, was gleichzeitig ungleichmäßige Druckspitzen oder stark schwankende Reaktionsabläufe unmöglich macht. Überraschender Weise wurde durch die vorbeschriebene Reaktionsführung die Ausbeute an Kohlenstoff deutlich gegenüber dem allgemeinen Verfahren erhöht. Dies kann damit erklärt werden, dass die in der Gasphase enthaltenen, kohlenstoffhaltigen Zwischenprodukte hier zusätzlich zu reinem, verwertbarem Kohlenstoff umgesetzt werden.
Es versteht sich, dass vorgegebener Druck, Reaktions- und Gastemperatur von Art und Restfeuchte der organischen Substanzen abhängig sind. Weiterhin versteht sich, dass eine übermäßige Abkühlung der Gase dem Druckbehälter so viel Energie entziehen würde, dass die Reaktion zum Erliegen kommt, was zu vermeiden ist.
Bei ungetrockneten, organischen Substanzen, die nicht mit zusätzlichem Wasser benetzt waren, konnte mit einer Abkühltemperatur im Bereich von 140 0C bis 240 0C bei besserer Ausbeute stets die gleiche Produktqualität wie im allgemeinen Verfahren erzielt werden - für trockene oder benetzte Substanzen kann ein solcher Tempe- raturbereich sowie -wert folglich auch 5, 10 oder 20 Grad höher oder niedriger liegen.
Mit einer enger gefassten Abkühltemperatur von 180 0C bis 220 0C wurde ein deut- lieh gleichmäßigerer Druckverlauf während der Karbonisierung erzielt, wodurch sich die Ausbeute zusätzlich steigern ließ. Bei einer Abkühltemperatur von dauerhaft 200 0C wurde mit homogener, gleichmäßiger Reaktionsführung ein Kohlenstoff erhalten, der morphologisch und physikochemisch durch eine hohe Gleichmäßigkeit gekennzeichnet ist. Dies kann mit der verbesserten Einheitlichkeit des konstant mit einer Temperatur zugeführten Gasgemisches erklärt werden, welches energetisch eine gleichmäßige und dauerhafte Einstellung des Reaktionsgleichgewichts in der Gasphase ermöglicht.
Das Ausmaß der Karbonisierung kann an Hand der Menge der freigesetzten Ener- gie sowie an der Veränderung des Druckes im Druckbehälter abgeschätzt werden. Bei im Wesentlichen abgeschlossener Karbonisierung muss das austretende Gas kaum noch gekühlt werden und der Druck nimmt messbar und stetig ab.
Vorteilhaft werden die im Kreis geführten Gase gefiltert. Hierdurch werden im Gas enthaltene Stäube und inerte Partikel abgetrennt. Durch die Abtrennung der Stäube wird ein wesentlicher Anteil an Mineralien und Salzen, die während er Reaktion freigesetzt werden, aus dem Druckbehälter entfernt. Dadurch wird vor allem die salzinduzierte Korrosion von Metallflächen sowie die durch enthaltene Schwermetalle begünstigten Nebenreaktionen deutlich verringert. Zudem wird eine Beeinträchtigung von Katalysator-Kontaktflächen durch diese Fremdsalze verringert, sodass bei längerer Lebenserwartung des Druckbehälters die Reaktion verbessert katalysiert schneller durchgeführt werden konnte.
Bevorzugt wird das austretende Gas in einem durchgehenden Kreislauf isobar zu dem im Druckbehälter bestimmten Druck abgekühlt und zurückgeleitet. Durch einen einheitlichen, gleichmäßigen Druck werden die chemischen Aktivitäten der Gasphase bis zum Reaktionsende hin nahe am Gleichgewicht gehalten. Die Erfinder gehen davon aus, dass bei den Gleichgewichtsreaktionen der komplex zusammengesetzten Gasphase wohl im Wesentlichen Kohlenstoff als Produkt anfällt, wodurch die erhöhte Ausbeute und Qualität erklärt werden kann. Besonders vorteilhaft wird vor diesem Hintergrund die Reaktionstemperatur am Messpunkt im Druckbehälter möglichst schnell auf Konstanz eingeregelt. Konstanz bedeutet hierbei, dass die gemessene Temperatur innerhalb von 10 Minuten einen kontinuierlichen Drift von maximal 5 0C aufweist und somit innerhalb der Genauig- keit des Messpunkts konstant ist. Mit gleichmäßig auf eine Temperatur abgekühltem und zurückgeführtem Gas kann dann eine isotherme Reaktionsführung mit gleichmäßiger Reaktionstemperatur im Druckbehälter angenommen werden. In Abhängigkeit der morphologischen Eigenschaften der organischen Substanzen konnte eine gleichmäßige Reaktionstemperatur bei gleichmäßig stückigem Gut bereits nach 10 bis 30 Minuten erzielt werden. Im Vergleich zu einer Reaktion mit überhöhtem Temperaturdrift über ein bis drei Stunden konnte die Ausbeute an gleichmäßig brennbarem/verwertbarem Kohlenstoff dadurch zusätzlich verbessert werden.
Vorteilhaft wird die während der Karbonisierung abgeführte Wärmeenergie gespei- chert und/oder weiterverwendet. Hohe Wirkungsgrade bietet dabei die Nutzung der Energie als Fernwärme; besonders bevorzugt kann durch die abgeführte Wärme Heißluft bereitgestellt werden, welche zur Trocknung von organischen Substanzen verwendet werden kann.
Durch die vorteilhafte Trocknung der organischen Substanzen kann so die Energieausbeute in einem zweiten erfindungsgemäßen Druckbehälter, im Tandem mit dem ersten Druckbehälter betrieben, zusätzlich verbessert werden. Zudem wird durch gleichmäßiges Vortrocknen der Substanzen die Qualität und Einheitlichkeit von Ausgangsstoffen und den daraus hergestellten Produkten zusätzlich verbessert.
Bevorzugt werden die Gase über eine Umwälzvorrichtung aktiv unter Kühlung im Kreis geführt. Dies erlaubt eine einfachere Regelung der Stoff- und Energieströme. Zudem wird eine über das Reaktorvolumen einheitlichere, verbesserte Produktqualität erzielt. Letzteres kann durch das Ausschalten von konvektiven Gasströmen er- klärt werden. Durch die erzwungene Umwälzströmung des Gases werden Temperaturgradienten innerhalb des Druckbehälters zusätzlich minimiert und konvektive Strömungen unterbunden. Hierbei kann durch gleichmäßigere Einleitung des abgekühlten Gases über Leitbleche, Strudelbrecher oder Füllkörper sowie mehrere Einlassöffnungen das Strömungsprofil innerhalb des Druckbehälters zusätzlich verbes- sert werden. Vorteilhaft werden als organische Substanzen zellulosehaltige Abfälle zur Erzeugung von Kohle eingesetzt. In Versuchen erwies sich gerade Zellulose, welche naturgemäß in organischen Abfällen als Hauptbestandteil in strukturellen Gerüststrukturen wie Fasern, Zellverbänden, Halmen, Geweben und Fasergeweben vorliegt, als besonders vorteilhaft: Die gleichmäßige, vorteilhaft homogene Reaktionsführung erzielte bei stückigen, zellulosehaltigen Abfällen wie beispielsweise Holzresten, Palmschnitzel, Nußschalen usf., äußerst gleichmäßig karbonisierte Kohlestücke. Die Kohlestücke konnten direkt mit kleinsten Zündflammen entzündet werden. Dabei bildete sich auf dem Kohlestück in kürzester Zeit und rauchfrei eine flächendecken- de Glutschicht aus, die in ihrem gleichmäßigen, rauchfreien und Wärme abstrahlendem Brennverhalten bekannten Briketts deutlich überlegen war. Über das bevorzugte Verfahren hergestellte Kohle ist hervorragend für die Verwendung in geregelten, insbesondere industriellen, geregelten Prozessen geeignet, da die Heizleistung hier ob der gleichmäßigen Dichte und des verbesserten und einheitlichen Brennverhal- tens deutlich präziser und einfacher über das Schüttgewicht einer Gutklasse gesteuert werden kann.
Bevorzugt wird mit im Wesentlichen abgeschlossener Karbonisierung die Abkühltemperatur des im Kreis geführten Gases auf 50 0C eingeregelt. Dadurch wird die Abkühlung deutlich beschleunigt, die im Druckbehälter vorhandene Wärmeenergie zumindest anteilig wiederverwertbar entzogen und während der Abkühlung mögliche Nebenreaktionen auf ein Minimum beschränkt.
Besonders bevorzugt wird diese Maßnahme bei einem senkrechten Druckbehälter mit oberseitiger Befüllungsöffnung und unterseitiger Ausgabeöffnung ergriffen: Bei diesem Druckbehälter wird die Karbonisierung im Batch-Prozess, also jeweils mit einer Füllung, durchgeführt. Das Befüllen kann durch direktes Einschütten aus Transportfahrzeugen oder Transportvorrichtungen erfolgen, während das Ablassen des Guts direkt in einen unterseitig zum Druckbehälter aufgestellten Beutel oder Produktbehälter handelsüblicher Art erfolgen kann. Durch die Kombination der vorgenannten Maßnahmen wird insbesondere im Tandembetrieb mit wechselseitiger Abwärmenutzung durch mindestens einen weiteren Druckbehälter eine extrem beschleunigte und ökonomische Herstellung von qualitativ hochwertigen Karbonisie- rungsprodukten wie Kohle bereitgestellt. In einer Vorrichtung zur Durchführung des bevorzugten, erfindungsgemäßen Verfahrens ist an das Gasauslassrohr (19) eines bereits allgemein zuvor beschriebenen Druckbehälters ein regelbares Mehrweg-Auslassventil angeschlossen.
Mehrwegventile bezeichnet hierbei Ventile, bei denen ein Anschluss mit mindestens einem weiteren von mehreren Anschlüssen durchleitend und wechselbar verbindbar ist. Dabei kann über die Ventilfunktion ein Druck vorgegeben werden, bei dem jeweils ein Auslass offen oder geschlossen sowie mit einem weiteren verbunden sein soll. Für das vorbeschriebene Verfahren kann daher über ein zuvor ermitteltes Druckprofil die Abfolge von offenen und geschlossenen Ventilen in Abhängigkeit von Druck-Grenzwerten auf besonders einfache Art als Öffnungs- sowie Schließdruck einzelner Anschlüsse vorgegeben werden.
Weiterhin kann über ein elektrisch ansteuerbares Ventil eine besonders vielseitige und anpassungsfähige Regelung erfolgen, welche gerade bei organischen Substanzen unbekannter Zusammensetzung eine Anpassung der Ventilstellungen an Hand der Messwerte während des laufenden Betriebs erlaubt.
Das vorbenannte Mehrweg-Auslassventil erlaubt mithin das geregelte Ausleiten von ausströmenden Gasen. Hierbei ist einer der ausleitenden Anschlüsse mit dem aus- flussseitigen Ende eines Gaseinführungsrohrs verbunden. Über das Gaseinführungsrohr kann das ausströmende Gas während der Karbonisierung wieder zurückgeführt werden. In einer besonders einfachen Ausführungsform erfolgt das vorbeschriebene Abkühlen des Gases bereits durch die Wärmestrahlung, welche über Gasauslassrohr und Gaseinführungsrohr abgestrahlt wird. Durch vorteilhaftes Ausgestalten von Rohrgeometrie und -Oberfläche kann rein konstruktiv eine für spezifizierte, vorgegebene, organische Substanzen geeignete und äußerst preisgünstige Vorrichtung bereitgestellt werden.
Bevorzugt sieht eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen Wärmetauscher vor, welcher das geregelte Ableiten und vorteilhafte Verwerten der entzogenen Wärmeenergie über ein Wärmetauschermedium erlaubt. Dadurch wird die Vorrichtung vielseitiger verwendbar, da der Wärmeentzug in Abhängigkeit der Betriebsparameter an verschiedene, organische Substanzen mit variierender Feuchte angepasst werden kann. Weiterhin kann Heißluft als Wärmetauschermedium direkt in einer Vorrichtung mit mehreren Druckbehältern zur Trocknung / Erwärmung mit hohem Wirkungsgrad weiterverwendet werden. Insbesondere für die Trocknung mit Heißluft ist in einer vorteilhaften Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Mehrweg-Einlassventil zuflussseitig zum Gaseinführungsrohr angeschlossen. Dadurch kann vor der Karbonisierung Heißluft über einen Anschluss des Mehrweg-Einlassventils durch den befüllten Druckbehäl- ter und das Gasauslassrohr geleitet werden, um das organische Gut, bevorzugt mit Abwärme aus einem parallelen Karbonisierungs- und/oder Abkühlprozess, zu trocknen.
Vorteilhaft weist die zur Abkühlung vorgesehene Kreisführung einer erfindungsge- mäßen Vorrichtung einen Filter zur Reinigung der im Kreis geführten Gase auf. Insbesondere mehrstufige Filter, in denen zunächst Partikel und besonders vorteilhaft in Kombination mit der Abkühlung kondensierende Verunreinigungen abgetrennt werden können, verringern die Verschmutzung von nachfolgenden Einrichtungen, Leitungen und Wärmetauscherflächen. Dadurch wird die Standzeit der Anlage er- höht, die Kosten für die regelmäßige Reinigung wird abgesenkt und die Korrosion innerhalb des Druckbehälters wird verringert.
Bevorzugt weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Umwälzeinrichtung auf, bei der zum Beispiel mittels einer chemikalienbeständigen Umwälzpumpe mit Kunststoff- und/oder Keramik-Schaufeln der im Kreis geführte Gasfluss in seinem Volumen und/oder seiner Geschwindigkeit gesteuert werden kann. Dies erlaubt eine präzise Regelung des Energieaustrags durch Wärmeentzug in Abhängigkeit der Reaktionsparameter und ermöglicht eine deutlich homogenere Reaktionsführung. Konvektive Beeinträchtigungen von Reaktion sowie Material durch ungleichmäßige Temperaturprofile innerhalb des Druckbehälters sind dadurch vermeidbar.
Besonders bevorzugt weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen zentralen Wärmetauscher auf, welcher mehrere, parallel geführte, erfindungsgemäße Verfahren unter wechselseitiger Abwärmenutzung verbindet und die Restwärme in Form von etwa 50 0C heißem Abkühl-Medium zur weiteren Verwertung bereitstellt. Ein solcher Wärmetauscher ist durch eine Vielzahl von Anschlüssen, einer Baugruppe für die korellierte Messwertauswertung und einer damit verbundenen Steuereinheit zur Wärmestromverteilung gekennzeichnet, wodurch Wärmeströme geregelt und je nach Bedarf den parallel geführten Verfahren zur Verfügung gestellt werden.
Figur 2 veranschaulicht eine vorteilhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des bevorzugten Verfahrens, aufweisend eine Druckbehälter (10) in Form eines senkrecht ausgerichteten Holzbehälters mit oberseitig angeordnetem Einlass für Holz sowie unterseitig angeordnetem Auslass für karbonisiertes Holz. Oberseitig ist ein Gasauslassrohr angebracht, welches abflussseitig an einen von vier Anschlüssen eines regelbaren Mehrweg-Auslassventils angeschlossen ist. Das Auslassventil ist über einen weiteren Anschluss an eine durchleitende Baugruppenreihe, bestehend aus einem Filter, einer Umwälzeinrichtung und einem Wärmetauscher angeschlossen. Der Wärmetauscher ist seinerseits an ein Gaseinführungsrohr angeschlossen, welches unterseitig in den Holzbehälter mündet. In der in Figur 2 veranschaulichten Schaltlage des regelbaren Mehrwegventils verbindet das Mehr- weg-Auslassventil das Gasauslassrohr durchleitend mit der Gerätereihe und der Wärmetauscher ist durchleitend mit dem Gaseinführungsrohr verbunden. Dies resultiert in einem geschlossenen Kreislauf, in dem gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren allein Wärmenergie den im Kreis geführten, oberseitig ausgeführten Gasen entzogen wird, bevor diese mit einer Temperatur von etwa 200 0C in den Druckbe- hälter zurückgeführt werden.
In Figur 3 ist für die in Figur 2 veranschaulichte Vorrichtung die Schaltlage des Mehrwegventils für die verschiedenen Verfahrensstufen dargelegt. Während der Trocknung wird Abluft über das Mehrweg-Auslassventil in die Gerätereihe geleitet und im Wärmetauscher - vorzugsweise mit Abwärme aus einem Parallelprozess - auf bis zu 140 0C erwärmt. Diese Heißluft wird durch den gefüllten, verschlossenen Druckbehälter geführt und über das Gasauslassrohr an einen Anschluss des Mehrweg-Auslassventils geleitet, der mit dem unbesetzten Anschluss verbunden ist. Hier ist das regelbare Gasauslassventil als einen offenen Kreislauf definierend geschal- tet.
Mit abgeschlossener Trocknung, welche über einen Feuchtigkeitssensor in der ausströmenden Heißluft am Mehrweg-Auslassventil überprüft werden kann, wird das Mehrweg-Auslassventil in die in Figur 2 dargelegte Schaltlage geschaltet und der geschlossene Gaskreislauf liegt vor. Zur Karbonisierung des Holzes wird nun wie vorbeschrieben aufgeheizt und bei gleichmäßiger Reaktionsführung Wärme entzogen.
Nach abgeschlossener Karbonisierung wird der Wärmetauscher in seiner Kühlleis- tung hochgeregelt, bis eine Gastemperatur von 50 0C erreicht wird. Die Anlage wird dergestalt in kürzester Zeit auf Entnahmetemperatur abgekühlt und das karbonisier- te Holz kann nach Druckanpassung und Entlüftung über die Umwälzvorrichtung entnommen werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Durch die vorbeschriebenen Merkmale wird - besonders vorteilhaft mit wechselseitiger Abwärmenutzung - durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine extrem beschleunigte und ökonomische Herstellung von qualitativ hochwertigen Energieträgern in Form von Karbonisierungsprodukten wie Kohle bereitgestellt. Beson- ders die über das bevorzugte Verfahren hergestellte Kohle ist hervorragend für die Verwendung in geregelten, insbesondere industriellen, geregelten Prozessen geeignet, da die Heizleistung hier ob der gleichmäßigen Dichte und des verbesserten und einheitlichen Brennverhaltens deutlich präziser und einfacher über das Schüttgewicht einer Gutklasse gesteuert werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Behälter
1 1 Deckel 12 Boden
13 Einfüllklappe
14 Entleerungsklappe
15 Heizboden
16 Heizraum 17 Innenraum
18 Pratze
19 Gasrohr

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen, bei dem diese in einem geschlossenen Druckbehälter unter Ausschluss von Sauers- toff unter Eigendruck erhitzt werden, wobei zum Aufschluss der Ausgangssubstanzen zu Beginn des Verfahrens ein Katalysator zugegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr erfolgt, bis im Innenraum des Druckbehälters eine Temperatur von mindestens etwa 250 0C erreicht ist und dass man bei Erreichen eines vorgegebenen Drucks im Innenraum des Druckbehälters eine Druckentlastung durch Öffnen eines Ventils vornimmt und Gase aus dem Behälter strömen lässt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil wieder geschlossen wird, wenn ein vorgegebener Druck im Innenraum des Druckbehälters unterschritten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Karbonisierung solange durchführt, bis der Druck im Behälter auf einen vorgegebenen Druckwert abgesunken ist und/oder die Temperatur im Behälter auf einen vorgegebenen Wert abgesunken ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den nachfolgenden Verfahrensablauf:
- in einer ersten Phase wird der Druckbehälter aufgeheizt;
- das als Überdruckventil ausgebildete Ventil öffnet sich selbsttätig bei Erreichen eines Solldrucks Pi und Gas entweicht aus dem Be- hälterinnenraum;
- die Aufheizphase wird fortgesetzt, bis zum Erreichen einer Solltemperatur T1;
— Gas entweicht weiter über das Überdruckventil und der Prozess verläuft weiter exotherm ohne Beheizung des Behälters; - der Druck im Behälter sinkt und das Überdruckventil schließt sich bei Unterschreiten eines Sollwerts;
— Druck und Temperatur im Behälter sinken weiter und bei Erreichen unterer Schwellenwerte wird das Verfahren beendet, der Behälter geöffnet und das Produkt entnommen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Solltemperatur T1 bei mehr als 350 0C, vorzugsweise bei zwi- sehen 400 0C und 500 0C liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Solldruck P1, bei dem das Überdruckventil öffnet, bei zwischen 9 und 14 bar liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phase, in der der Behälter aufgeheizt wird, etwa 3 bis 6 Stunden andauert, vorzugsweise etwa 4 bis etwa 5 Stunden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil für die Entlastung des Druckbehälters ein regelbares Ventil ist, welches vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,2 bar bis 20 bar regelbar ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Ausgangssubstanz für die Karbonisierung Stammholz, Astholz, Nussschalen und/oder Palmschnitzel umfasst.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich- net, dass der Katalysator Zitronensäure und/oder eine Eisenverbindung umfasst.
1 1. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen mit wenigstens einem regelbaren Druckventil ausgestatteten mindestens teilweise doppelwandigen Druckbehälter (10) aufweist, der mit einer Heizvorrichtung versehen ist, die geeignet ist, Teile der Innenwand oder des Bodens (15) des Behälters von außen zu erwärmen und der weiterhin wenigstens ein Gasauslassrohr (19) aufweist, wobei sich das Druckventil im Bereich des Gasauslassrohrs befindet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass diese über eine mittels eines Deckels (13) verschließbare Öffnung im oberen Bereich mit den organischen Ausgangssubstanzen befüllbar ist und eine weitere verschließbare Öffnung (14) für die Entnahme des karbonisierten Endprodukts im unteren Bereich des Druckbehälters (10) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter in seinem unteren Bereich mit einem weiteren darunter angeordneten Behälter verbunden ist, der das karbonisierte Endpro- dukt aufnimmt, wobei die Verbindung zwischen diesem weiteren Behälter und dem Druckbehälter durch Schieber oder dergleichen verschließbar ist.
14. Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem diese in einem geschlossenen Druckbehälter unter Ausschluss von Sauerstoff in Gegenwart eines Aufschluss-Katalysators erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmezufuhr erfolgt, bis im Innenraum des Druckbehälters eine Temperatur von etwa 250 0C erreicht ist und dass man bei Errei- chen eines vorgegebenen Drucks im Innenraum des Druckbehälters eine Druckentlastung vornimmt, wobei durch Öffnen eines Auslassventils Gase aus dem Druckbehälter herausgeführt, abgekühlt, bevorzugt auf 1400C bis 240 0C, insbesondere 180 0C bis 220 0C, besonders bevorzugt 200 0C, abgekühlt, und in den Behälter zurückgeführt werden, bis die Karbonisierung im Wesentlichen abgeschlossen ist.
15. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die herausgeführten Gase gefiltert werden.
16. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die herausgeführten Gase isobar zum Behälterdruck in einem durchgehenden Kreislauf zurückgeführt werden.
17. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Karbonisierung nach einer Anlaufphase von ein bis drei Stunden, bevorzugt einer Stunde, besonders bevorzugt 10 bis 30 Minuten, isotherm geführt wird.
18. Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Gas entzogene Wärmeenergie gespeichert und/oder in einem weiteren Prozess weiterverwendet wird.
19. Verfahren nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase über eine Umwälzvorrichtung aktiv im Kreis geführt werden.
20. Verfahren nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als organische Substanz zellulosehaltige Abfälle zur Erzeugung von Kohle eingesetzt werden.
21. Verfahren nach einem der sieben vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die organischen Substanzen vor der Karbonisierung im Druckbehälter mit Heißluft von bis zu 140 0C vorgetrocknet werden.
22. Verfahren nach einem der acht vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach abgeschlossener Karbonisierung das im
Kreis geführte Gas auf 500C abgekühlt wird, um den Behälter auf Entnahmetemperatur abzukühlen.
23. Verfahren nach einem der neun vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als Batch-Prozess geführt wird, bei dem die organischen Substanzen schwerkraftunterstützt oberseitig in den Druckbehälter eingefüllt und nach der Karbonisierung unterseitig aus dem Behälter herausgeführt werden.
24. Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, zur
Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der zehn vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen mit wenigs- tens einem regelbaren Mehrweg-Auslassventil ausgestatteten mindestens teilweise doppelwandigen Druckbehälter (10) aufweist, der mit einer Heizvorrichtung versehen ist, die geeignet ist, Teile der Innenwand oder des Bodens (15) des Behälters von außen zu erwärmen und der weiterhin wenigstens ein Gasauslassrohr (19) aufweist, wobei das
Mehrweg-Auslassventil mit mindestens einem Anschluss mit dem aus- flussseitigen Ende des Gasauslassrohrs (19) verbunden ist und dass das Mehrweg-Auslassventil abflussseitig mit mindestens einem Gaseinführungsrohr verbunden ist, wobei das Gaseinführungsrohr abfluss- seitig an den Druckbehälter (10) angeschlossen ist.
25. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zuflussseitig zum Gaseinführungsrohr ein Filter angeschlossen ist.
26. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zuflusseitig zum Gaseinführungsrohr eine Umwälzeinrichtung angeschlossen ist.
27. Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zuflussseitig zum Gaseinführungsrohr ein Wärmetauscher angeschlossen ist.
28. Vorrichtung nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zuflussseitig zum Gaseinführungsrohr ein Mehr- wegeinlassventil angeschlossen ist, wobei das Mehrwegeinlassventil an mindestens einem weiteren Anschluss an eine Heißluftversorgung angeschlossen ist.
29. Vorrichtung nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage über mindestens einen Wärmetauscher mit mindestens einer weiteren Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche verbunden ist.
30. Vorrichtung nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen mit wenigstens einem regelbaren Mehrweg-Auslassventil ausgestatteten mindestens teilweise doppelwandigen Druckbehälter (10) aufweist, der mit einer Heizvorrichtung versehen ist, die geeignet ist, Teile der Innenwand oder des Bodens (15) des Behälters von außen zu erwärmen und der weiterhin wenigstens ein Gasauslassrohr aufweist, wobei das Mehrweg- Auslassventil an mindestens einem Anschluss mit dem ausflussseiti- gen Ende des Gasauslassrohrs verbunden ist und dass das Mehrweg- Auslassventil abflussseitig mit mindestens einem Gaseinführungsrohr verbunden ist, wobei das Gaseinführungsrohr abflussseitig an den Druckbehälter (10) angeschlossen ist, dass zwischen Gasauslassrohr und Gaseinführungsrohr in Flussrichtung durchleitend ein Filter, eine
Umwälzeinrichtung, ein Wärmetauscher und ein Mehrwegeinlassventil angeschlossen sind, wobei das Mehrwegeinlassventil an einem weiteren Zufluss über den Wärmetauscher an eine Heißluftversorgung angeschlossen ist und dass die Heißluftversorgung mit mindestens einem weiteren Auslass des Mehrweg-Auslassventils und dem Wärmetauscher verbunden ist und dass der senkrecht ausgerichtete Druckbehälter (10) oberseitig eine verschließbare Einfüllöffnung für die organischen Substanzen und unterseitig eine verschließbare Entnahmeöffnung für die karbonisierten Substanzen aufweist.
31. Verwendung einer Anlage gemäß einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche.
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