WO2014027059A1 - Verfahren und vorrichtung zur reinigung von prozesswasser in einem hydrothermalen karbonisierungsprozess - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur reinigung von prozesswasser in einem hydrothermalen karbonisierungsprozess Download PDF

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Abstract

Die hydrothermale Karbonisierung erlaubt die Herstellung von Kohle aus Biomasse. Diese Biomasse kann aber zu Beginn des Karbonisierungsprozesse Bestandteile enthalten, die sich für die Karbonisierung nicht eignen. Neben groben Verschmutzungen durch Glasscherben etc. handelt es sich hierbei insbesondere um Sand und Schluff, wobei der Schluff sich durch einfache Filtermethoden aufgrund seiner Feinheit nicht entfernen lässt. Die Erfindung sieht daher eine Entnahme von Prozesswasser aus dem Reaktionsraum vor, welches einer Reinigung in einem Sedimentationsfilter unterzogen wird, nachdem die Karbonisierungsreaktion begonnen hat und der Schluff nicht mehr in der Biomasse festgehalten wird. Das Prozesswasser wird dann wieder in den Reaktionsraum eingestrahlt, um das Biomasse-Prozesswasser-Gemisch in Bewegung zu halten und ein Absetzen des Schluffs am Boden des Reaktionsraums zu vermeiden.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR REINIGUNG VON PROZESSWASSER IN EINEM HYDROTHERMALEN KARBONISIERUNGSPROZESS Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Prozesswasser innerhalb eines hydrothermalen Karbonisierungsprozes- ses, bei dem Prozesswasser und Biomasse in einen Reaktionsraum eingebracht werden, wobei eine Filterung des Prozesswassers über eine Sedimentationsfilteranordnung erfolgt.
Eine derartige Lösung kennt der Stand der Technik bereits aus der DE 10 2007 062 808 A1 . Gemäß der Lehre dieses Dokumentes ist ein Reaktor zur Durchführung einer hydrothermalen Karbonisierungsreaktion vorgesehen, im Zuge derer aus einem Gemisch aus Prozesswasser und Biomasse Kohle hergestellt werden soll. Während der Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung innerhalb des Reaktors ist hierbei eine Filterung des Reaktionsgemisches aus Prozesswasser und Biomasse vorgesehen, welche mithilfe eines oder mehrerer innen liegender Hydrozyklone durchgeführt wird. Diese Filtervorrichtung wird im Reaktor vorgesehen, in welchem das Reaktionsgemisch mithilfe eines Rührwerks bewegt gehalten wird. Das Rührwerk ist innerhalb einer innen liegenden Röhre angeordnet, so dass in dem Reaktor ein Wirbel entsteht.
Trotz des Einsatzes eines derartigen Rührwerkes ist gemäß der Lehre dieses Dokumentes weiterhin das Problem zu behandeln, dass eine Sedimentierung von unerwünschten Bestandteilen am Boden des Reaktors erfolgt, so dass nach einem Entleeren des Reaktors eine Befreiung desselben von den Sedimenten mithilfe einer Trockeneisreinigung durchgeführt werden muss.
Das Reaktionsgemisch, das aus Biomasse und Prozesswasser besteht, umfasst hinsichtlich der Biomasse im Grunde beliebiges, kohlenstoffhaltiges Material. Dieses kann je nach Herkunft unterschiedliche Stoffe enthalten, welche sich nicht zur Karbonisierung eignen, entweder weil es sich einfach um Verunreinigungen handelt, wie etwa Glasscherben, Schrauben, Münzen und dergleichen, oder weil die- se in den als Biomasse verwendeten Stoffen enthalten sind. Hinsichtlich der letzteren Bestandteile kann es sich beispielsweise um Sand, Schluff und dergleichen handeln, welche zum Teil in der Biomasse fest gehalten sind. Insbesondere Sand und Schluff machen bei der für die hydrothermale Karbonisie- rungsreaktion verwendeten Biomasse einen durchaus erheblichen Teil aus, so dass es durchaus sinnvoll ist, diese Bestandteile möglichst vollständig aus dem entstehenden Produkt herauszubekommen. Insbesondere leisten diese Bestandteile auch keinen Beitrag zum Brennwert, so dass durch einen höheren Anteil von Sand und Schluff in der entstehenden Biokohle im Ergebnis ein niedrigerer Brennwert des entstehenden Kohleproduktes resultiert.
Ein Teilproblem ist bereits durch die oben genannte Schrift DE 10 2007 062 808 A1 gelöst, indem mithilfe eines Hydrozyklons eine Sedimentationsfilterung des Prozesswassers erfolgt. Allerdings ist festzustellen, dass offenbar der Einsatz eines Hydrozyklons zur Grob- bzw. Feinsiebung sämtlicher im Prozesswasser befindlichen Feststoff partikel eine ungenügende Herausnahme von Sand und Schluff durch die in dem genannten Dokument vorgesehene Anordnung erreicht wird, nachdem trotz dieser Vorkehrungen eine aufwändige Nachbehandlung des Reaktors durch Trockeneis erforderlich ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ausschließlich durch die gezielte Entfernung der, bezogen auf die gebildete Biokohle, die Qualität senkende Anteile wie Sand oder Schluff die Filterung des Pro- zesswassers deutlich zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Reinigung von Prozesswasser gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 . Ebenfalls wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Reinigung von Prozesswasser gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 7. Sinnvolle Ausgestaltungen von Verfahren und Vorrichtung können den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der hydrothermale Karbonisierungspro- zess mit einem Gemisch aus Prozesswasser und Biomasse in einem Reaktionsraum zunächst beginnt, bevor eine Entnahme von Prozesswasser aus dem Reaktionsraum erfolgt. Mit dem Einsetzen der hydrothermalen Karbonisierungsreaktion werden feine Bestandteile wie Schluff aus der Biomasse freigesetzt und somit die Möglichkeit geschaffen, diese Bestandteile auch aus dem Prozesswasser- Biomasse-Gemisch herauszulösen. Nach Einsetzen der Karbonisierungsreaktion wird also das Prozesswasser bzw. die Suspension aus dem Reaktionsraum entnommen, wozu der Reaktionsraum im Bodenbereich eine Prozesswasserentnah- me aufweist, welche mit einer Entnahmeleitung verbunden ist. Die Entnahmeleitung leitet das entnommene Prozesswasser zu einer Sedimentationsfilteranordnung, wo eine Filterung durch Sedimentation stattfindet.
Das dergestalt filtrierte Prozesswasser wird dann dem Reaktionsraum über eine Rückführleitung wieder zugeführt, welche im Bodenbereich des Reaktionsraums in eine Düsenanordnung zum Einstrahlen des Prozesswassers in den Reaktionsraum hinein angeordnet sind.
Durch die bodenseitige Entnahme des Prozesswassers aus dem Reaktionsraum wird gewährleistet, dass die natürliche Sedimentierung während des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses genutzt wird, um das am meisten mit Sedimenten versehene Prozesswasser der Filtrierung zuzuführen. Umgekehrt wird durch das Einstrahlen des gereinigten Prozesswassers mithilfe von Einblasdüsen in den Reaktionsraum hinein ohne die Notwendigkeit eines Rührwerks oder einer ähnli- chen Mischvorrichtung das Gemisch aus Biomasse und Prozesswasser derart aufgewirbelt, dass zum einen eine gleichmäßige Durchmischung des Reaktionsgemisches erfolgt und zum anderen auch die bereits am Reaktorboden sedimen- tierten Partikel wieder aufgewirbelt werden um ein Anbacken am Reaktor zu verhindern. Hierdurch wird verhindert, dass sich ähnlich wie beim Stand der Technik eine Sedimentationsschicht auf dem Boden des Reaktors bildet, welcher dann in einem separaten Arbeitsvorgang beispielsweise mit Trockeneis entfernt werden müsste. Die mit der Trockeneisreinigung einhergehende starke Abkühlung des Reaktors, welche das Material in extremer Weise beansprucht, kann damit deut- lieh verringert werden oder im Idealfall sogar ganz entfallen. Erforderlich ist hierzu, dass das Prozesswasser bei dem Einstrahlen in den Reaktionsraum mit einem genügenden Druck eingestrahlt wird, so dass aufgrund des Prozesswasserstrahls ein Aufwirbeln des Gemisches bewirkt werden kann.
Als Sedimentationsfilter, welchem das Prozesswasser zur Reinigung zugeführt wird, wird mit einigem Vorteil ein Hydrozyklon verwendet, wobei es ohne Weiteres möglich ist, auch mehrere Hydrozyklone parallel oder nacheinander für die Reinigung einzusetzen. Ebenfalls ist es ohne Weiteres möglich, mehrere Reaktions- räume einer HTC-Anlage gleichzeitig durch eine solche Sedimentationsfilteranordnung zu bedienen.
Die Einblasdüsenanordnung im Bodenbereich des Reaktionsraumes kann aus verschiedenen Arten von Einblasdüsen bestehen, welche bevorzugtermaßen entweder vertikal in den Reaktionsraum einstrahlen um dem Prozesswasser- Biomasse-Gemisch einen starken Bewegungsimpuls in die Höhe zu geben, oder aber tangential zur Außenwand des Reaktionsraums angeordnet sind, um eine tangentiale Beschleunigung auf das Gemisch wirken zu lassen, welches eine Verwirbelung des Gemisches in dem Reaktionsraum zur Folge hat. Ohne Weite- res können auch beide Arten von Einblasdüsen im Bodenbereich des Reaktors vorhanden sein, und parallel oder alternativ auf das Gemisch einstrahlen.
Es ist vorgesehen, das Prozesswasser in Form von Dampf dem Karbonisierungs- prozess zuzuführen, um so die erforderliche Temperatur im Reaktionsraum auf- rechtzuerhalten. Bedarfsweise kann nach einer Reinigung des Prozesswassers eine erneute Erhitzung bzw. Verdampfung erfolgen, so dass das Prozesswasser nach dem Durchlaufen der Sedimentationsfilteranordnung dem Reaktionsraum wieder in dampfförmigem Zustand zugeführt wird. Wiederum alternativ oder in Reihe zu der genannten Sedimentationsfilteranordnung kann mit einigem Vorteil zunächst ein Grobfilter vorgesehen sein, welches eine Vorfiltrierung des Gemisches erlaubt. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Separatorsäule handeln, welche grobe unerwünschte Bestandteile aus dem Reaktionsgemisch entfernt.
Die Sedimentationsfilteranordnung kann insbesondere aus einem oder mehreren Hydrozyklonen bestehen, wobei im Falle der Verwendung mehrerer Hydrozyklone eine parallele Anordnung wünschenswert ist. Diese ist in einer bevorzugten Ausgestaltung in einem Filterbehälter angeordnet, welcher in drei über einander angeordnete Kammern unterteilt ist. Der Zulauf des Prozesswassers erfolgt hierbei in eine mittlere Kammer, in welche die tangentialen Einlässe der Hydrozyklone ein- münden. Durch ein Einbringen des Prozesswassers in diese mittlere Zulaufkammer, kann das Prozesswasser also in das jeweilige Hydrozyklon einlaufen und dort unter Wirbelbildung in Richtung eines unteren Trichterabschnittes nach unten strömen. Aufgrund des trichterförmigen Zuschnitts des Hydrozyklons bildet sich in der Mitte des Trichters eine Aufwärtsbewegung, welche jedoch von den sedimen- tierenden, nach unten sinkenden Bestandteilen nicht mitvollzogen wird. Während diese Bestandteile über einen nach unten in eine untere Sedimentkammer mündenden Unterlauf das Hydrozyklon verlassen, werden die aufsteigenden Anteile des Prozesswassers in einen röhrenförmigen Vortex-Finder eingeleitet, welcher eine senkrecht aufgerichtete Röhre darstellt und aus dem Hydrozyklon in eine obere Prozesswasserkammer mündet. Aus der oberen Prozesswasserkammer, in welche lediglich das gereinigte Prozesswasser zusammen mit der darin verbliebenen Biokohle einläuft, wird das Prozesswasser dann entnommen und in den Reaktionsraum zurückgeführt. Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 einen Reaktionsraum, welcher für eine erste Vorfilterung mit einer
Separatorsäule verbunden ist, und Figur 2 einen Reaktionsraum, welcher für eine Feinfilterung des Prozess- wasser-Biomasse-Gemischs mit einer aus mehreren Hydrozyklonen bestehenden Sedimentationsfilteranordnung verbunden ist. Figur 1 zeigt einen Reaktionsraum 10, in welchen zuvor ein Gemisch aus Prozesswasser und Biomasse eingeleitet wurde. Im Rahmen einer hier gezeigten ersten Vorfilterung wird ein Teil des Gemisches, des sogenannten„Slurry", über eine bodenseitige Entnahme des Reaktionsraums 10 und eine daran angeschlossene Entnahmeleitung 12 einer Separatorsäule 40 zugeleitet. Bei einem Befüllen der Separatorsäule 40 wird das heiße Prozesswasser innerhalb eines Säulenabschnitts 41 aufsteigen, während die schwereren Bestandteile, also die groben Verunreinigungen diese Aufwärtsbewegung nicht mitvollziehen und vielmehr in dem Säulenabschnitt 41 nach unten sinken und auf diese Weise in einen Sedimentationstank 42 eingebracht werden. Das letztlich an der Oberseite des Säu- lenabschnittes 41 anlangende Prozesswasser wird dann über eine Rückführleitung 13 in den Reaktionsraum 10 zurückgeführt und dort über Einblasdüsen 14 wieder ins Innere des Reaktionsraums 10 eingeblasen. Eine Rückführung des zunächst grob filtrierten Prozesswassers kann hierbei auch durch ein Einlaufen an der Oberseite des Reaktionsraums 10 erfolgen, wobei durch ein derartiges Ein- regnen in den Reaktionsraum 10 ein zusätzliches Verwirbeln mithilfe von Einblasdüsen 14 im Rahmen der Vorfilterung noch entfallen kann.
Figur 2 zeigt den selben Reaktionsraum 10, aus welchem nach Einsetzen der Karbonisierungsreaktion ein Gemisch aus Prozesswasser und Biomasse ebenfalls über die Entnahmeleitung 12 entnommen werden kann. Dieses Gemisch wird dann einer Sedimentationsfilteranordnung 20 zugeführt, welche in einem Filterbehälter 21 angeordnet ist. Die Entnahmeleitung 12 mündet hierbei in eine mittlere Zulaufkammer 22, aus welcher das Gemisch in eine Mehrzahl parallel angeordneter Hydrozyklone 30 über einen tangentialen Einlass 31 einlaufen kann. Nach dem Durchqueren des Einlasses 31 eines Hydrozyklons 30 wird aufgrund der tangentialen Bewegung des zu reinigenden Prozesswassers dieses einen Wirbel innerhalb des Hydrozyklons 30 bilden und gleichzeitig aufgrund der Schwerkraft nach unten sinken. Dabei trifft es auf einen Trichterabschnitt 34 des Hydrozyklons 30, welcher aufgrund des geringeren Platzangebots dafür sorgt, dass ein Teil des Prozesswassers in der Mitte des Hydrozyklons 30 wieder aufsteigt. An dieser Stelle befindet sich ein röhrenförmiger Vortex-Finder 35, über welchen das gereinigte Prozesswasser durch einen Oberlauf 33 in eine oben liegende Prozesswasserkam- mer 24 einlaufen kann. Aufgrund der Verwirbelung innerhalb des Hydrozyklons 30 werden sich die schwereren Bestandteile, namentlich Sand und Schluff und dergleichen, zunächst weiter außen im Hydrozyklon 30 aufhalten und dann an der Trichterwand des Trichterabschnittes 34 nach unten sinken und über einen Unterlauf 32 letztendlich in eine Sedimentkammer 23 verbracht werden. Das gereinigte Prozesswasser aus der oben liegenden Prozesswasserkammer 24 wird schließlich über eine Rückführleitung 13 zu einer Anordnung von Einblasdüsen 14 geleitet, über welche das vom Sand und Schluff befreite Prozesswasser-Biomasse- Gemisch in den Reaktionsraum 10 eingestrahlt wird. Hierbei wird der Strahl des Gemisches auf das durch die Schwerkraft herabsinkende, noch im Reaktionsraum 10 befindliche Gemisch gelenkt, so dass ein Absetzen von Sedimenten innerhalb des Reaktionsraums 10 deutlich verringert wird. Bedarfsweise kann in der Rückführleitung ein Verdampfer angeordnet sein, um das Gemisch des gereinigten Prozesswassers vor einem Einbringen in den Reaktionsraum 10 nochmals auf die für die Durchführung der Reaktion erforderliche Temperatur zu bringen.
Vorstehend beschrieben sind somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Prozesswasser, welche eine Entnahme des Prozesswassers, eine außen liegende Reinigung und ein Einblasen des gereinigten Prozesswassers im Bodenbereich des Reaktionsraums vorsieht, mit dem Effekt, dass eine Sedimen- tierung im Bodenbereich des Reaktionsraums vermieden wird, das Ergebnis der Filterung durch die bodenseitige Entnahme des Prozesswassers verbessert wird und gleichzeitig die Konstruktion der Sedimentationsfilteranordnung durch die außerhalb des Reaktionsraums liegende Anordnung vereinfacht wird. BEZUGSZE ICH EN LISTE Reaktionsraum
Boden
Entnahmeleitung
Rückführleitung
Einblasdüse
Sedimentationsfilteranordnung
Filterbehälter
Zulaufkammer
Sedimentkammer
Prozesswasserkammer
Hydrozyklon
Einlass
Unterlauf
Oberlauf
Trichterabschnitt
Vortex-Finder
Separatorsäule
Säulenabschnitt
Sedimentationstank

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Reinigung von Prozesswasser innerhalb eines hydrothermalen Karbonisierungsprozesses, bei dem Prozesswasser und Biomasse in einen Reaktionsraum (10) eingebracht werden,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bodenbereich des Reaktionsraums (10) Prozesswasser über eine Entnahmeleitung (12) aus dem Reaktionsraum (10) heraus einer Sedimentationsfilteranordnung (20) zur Filtrierung zugeleitet und das anschließend gereinigte Prozesswasser dem Reaktionsraum (10) wieder zugeführt wird, indem es mittels einer Düsenanordnung im Bodenbereich des Reaktionsraums (10) unmittelbar auf die darin lose enthaltene Biomasse gestrahlt wird. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Filtrierung mithilfe einer Sedimentationsfilteranordnung (20) erfolgt, welche wenigstens ein Hydrozyklon (30), vorzugsweise mehrere Hydrozyklone (30), umfasst.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Entnahme von Prozesswasser aus dem Reaktionsraum (10) und dessen Zuleitung zu der Sedimentationsfilteranordnung (20) erst nach Einsetzen einer Karbonisierungsreaktion in dem Reaktionsraum (10) begonnen wird. 4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozesswasser mithilfe einer Einblasdüsenanordnung, die vorzugsweise in einem Boden (1 1 ) des Reaktionsraums (10) angeordnet ist, tangential und/oder vertikal in den Reaktionsraum (10) eingestrahlt wird. 5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozesswasser nach seinem Durchlaufen der Sedimentationsfilteranordnung (20) verdampft und im verdampften Zustand dem Reaktionsraum (10) wieder zugeführt wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozesswasser zusätzlich, vorzugsweise im Rahmen einer Vorfiltrierung, mithilfe eines Grobfilters, vorzugsweise einer Separatorsäule (40), gereinigt wird.
Vorrichtung zur Reinigung von Prozesswasser innerhalb eines hydrothermalen Karbonisierungsprozesses, mit einem Reaktionsraum (10), in welchem eine Karbonisierungsreaktion abläuft und einer Sedimentationsfilteranordnung (20) zum Reinigen des Prozesswassers,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Prozesswasserentnahme im Bodenbe reich des Reaktionsraums (10) angeordnet ist, welche mittels einer Entnahmeleitung (12) mit der außen liegenden Sedimentationsfilteranordnung (20) verbunden ist, wobei zudem eine Rückführleitung (13) von der Sedimentationsfilteranordnung (20) zu dem Reaktionsraum (10) vorgesehen ist, welche im Bodenbereich des Reaktionsraums (10) mit einer Düsenanordnung zum Einblasen des Prozesswassers in den Reaktionsraum (10) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimen tationsfilteranordnung (20) wenigstens ein Hydrozyklon (30) umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimen tationsfilteranordnung (20) mehrere Hydrozyklone (30) umfasst, welche in einem Filterbehälter (21 ) mit drei übereinander angeordneten Kammern (22, 23, 24) aufgenommen sind, wobei jedes Hydrozyklon (30) einen in eine mittlere Zulaufkammer (22) mündenden, tangentialen Einlass (31 ), einen aus einem unteren Trichterabschnitt (34) des Hydrozyklons (30) in eine untere Sedimentkammer (23) mündenden Unterlauf (32) und einen über einen röhrenförmigen Vortex-Finder (35) in eine obere Prozesswasserkammer (24) mündenden Oberlauf (33) umfasst.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum (10) im Wesentlichen zylindrisch, vorzugsweise im Bodenbereich trichterförmig zulaufend, gebildet ist, wobei die Prozesswasserentnahme und/oder die Düsenanordnung in einem Boden (1 1 ) des Reaktionsraums, welcher vorzugsweise die geodätisch tiefste Stelle des Reaktionsraums (10) darstellt, angeordnet sind.
11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenanordnung aus einer Mehrzahl aus tangential zu den Wänden des Reaktionsraums und/oder lotrecht in den Reaktionsraum weisenden Einblasdüsen (14) gebildet ist.
12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführleitung (13) ein Verdampfer zur Verdampfung des gereinigten Prozesswassers zugeordnet ist.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsraum (10) parallel oder sequenziell zu der Sedimentationsfilteranordnung (20) ein zusätzliches Grobfilter, vorzugsweise in Form einer Separatorsäule (40), zugeordnet ist, wobei die Rückführung des Prozesswassers aus diesem zusätzlichen Grobfilter wahlweise über die Düsenanordnung oder über einen dem Reaktionsraum (10) oberseitig zugeordneten Einlass erfolgen kann.
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