WO2023006136A1 - Verfahren zum einsatz von biokohle bei der herstellung von beton mit einer verbesserten co2-bilanz - Google Patents
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Classifications
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- C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
Definitions
- the biochar is used comprehensively as a cotton wool material or as a coating of pellets made of cotton wool material, the pellets coated with biochar being made of gypsum, clay and/or plastic. This is necessary so that the biochar, which has highly porous properties and therefore a very large surface, can simply be brought into contact with aqueous solutions. Manufacturing additional pellets and then coating them with biochar in order to be able to incorporate them into the concrete mix requires additional time, technology and costs. In addition, the production of biochar at temperatures of up to 700°C entails the risk that resin encrustations will still be present in the end product if the starting materials are very resinous, which would lead to inferior concrete if used for concrete production.
- Biochar is often a by-product of the energetic use of biomass, e.g. during wood gasification.
- the biochar To introduce the biochar into the mixing process of the aggregates, the binders and the aqueous solutions for the production of concrete, the biochar must be mixed with a biopolymer mixture for dust binding and to achieve mixing behavior due to its very low hydrophobic property according to the invention before being introduced into the mixing process from a suspension of at least 50% water and at most 50% of a bio-based polymer, until a saturation behavior has set in the mold, which forms biochar granules during the mixing process.
- bio-based polymers such as polylactide, lactic acid polymer, water-soluble lignin, Glycols, starch and / or polysaccharides used.
- the biochar is crushed to a grain size ⁇ 125 prn and, if necessary, fractionated in order to sort it for the respective concrete application.
- the fractionated biochar with its dust content is then subjected to a granulation process. Since the biochar can absorb five times its own weight in water, this process step makes it possible to bring the biochar into the concrete mixing process in a time-saving manner and to be able to carry out the mixing process as usual.
- the crushed coal is very slow to soak up water. In order to accelerate the wetting process, up to 50% of a bio-based polymer is added to the necessary water and this bio-polymer mixture is sprayed onto the biochar until the biochar has absorbed this mixture to saturation and is completely granulated.
- Polylactide for example in the form of whey, is used as the bio-based polymer. This has a high protein content but very little fat and is ideal for the granulation process.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von jeglichem Beton mit einer verbesserten CO2-Bilanz, durch Zusammenführen von Bindemitteln, Zuschlagstoffen und Biokohle und eventuell noch weiteren Zusatzmitteln unter Zugabe von wässrigen Lösungen zur Herstellung einer Mischung, wobei die Biokohle als teilweiser Ersatz für den Zement und/oder den jeweils eingesetzten Zuschlagstoffen zuvor in einem zweistufigen Pyrolyseprozess als Biokohle hergestellt und für den Prozess der Betonherstellung nach einem Zerkleinerungs- und Granulierprozess bereitgestellt und zugeführt wird.
Description
Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von Beton mit einer verbesserten C02-Bilanz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von Beton mit einer verbesserten CC^-Bilanz, durch Zusammenführen von Bindemitteln, Zuschlagstoffen und Biokohle und eventuell noch weiteren Zusatzmitteln unter Zugabe von wässrigen Lösungsmitteln zur Herstellung einer Mischung, wobei als Bindemittel Zement und als Zuschlagstoffe Sand, Kies, Schotter, Schlacke und/oder recyceltes Baumaterial eingesetzt werden. Der Einsatz von Biokohle, um den Einsatz von Zement zu reduzieren hat den Vorteil, dass die C02-Bilanz von Beton wesentlich verbessert werden kann. Die Verknüpfung von Pyrolyseprozessen und der dadurch entstehenden klimaneutralen Energie in Form von Strom und Wärme zur eigenen Nutzung, sowie die Nutzung der dabei entstehenden Biokohle zur Schaffung von Kohlenstoffsenken, zum Beispiel im Beton durch das Ersetzen von Zement durch Hinzufugen von speziell hergestellter Biokohle, und das alles an einem Standort, scheint eine perfekte Symbiose zu sein. Der Beton selbst verliert durch diese Substituierung von Zement nicht an Qualität, sondern viele Eigenschaften werden verbessert.
Der Einsatz von Biokohle bei der Betonherstellung ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
Bestätigungskopie
So beschreibt die WO 2018203829 Al ein Verfahren zur Herstellung eines Baumaterials, welches die Schritte Kombinieren eines Bindemittels, Zuschlagstoffs und Pflanzenkohle unter Zugabe eines wässrigen Lösungsmittels beinhaltet, um eine Mischung zu bilden. Dabei wird die Biokohle durch thermisches Zersetzen eines Biomassematerials bei einer Temperatur von 200°C bis 700°C hergestellt, vorzugsweise jedoch zwischen 300°C und 500°C, wobei die beigemischt Biokohle einen Anteil von 1 bis 30 % der Gesamtmenge der Mischung beträgt.
Die Biokohle wird dabei als Wattematerial umfassend oder als Beschichtung von Pellets aus Wattematerial eingesetzt, wobei die mit Pflanzenkohle beschichteten Pellets aus Gips-, Ton- und/oder Kunststoff bestehen. Dies ist erforderlich, um die Pflanzenkohle, welche hochporöse Eigenschaften aufweist und dadurch eine sehr große Oberfläche aufweist, sich schlicht allein mit wässrigen Lösungen in Verbindung bringen lässt. Dafür zusätzlich Pellets zu fertigen und dann noch mit Biokohle zu beschichten, um diese in die Betonmischung einbringen zu können, erfordert zusätzliche Zeit, Technologien und Kosten. Außerdem birgt die Herstellung der Biokohle bei Temperaturen bis zu 700°C die Gefahr, dass bei sehr verharzten Ausgangsmaterialen im Endprodukt noch Harzverkrustungen vorliegen, welche beim Einsatz für die Betonherstellung zu minderwertigem Betonen fuhren würde.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Lösung zu schaffen, mit deren Hilfe die Biokohle einen Kohlenstoffanteil von > 80 % aufweist und diese zeit- sowie kostensparend,
ohne weiteren Technologieaufwand in den Betonmischprozess einbringen zu können.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei die vorteilhaften Ausgestaltungen in den Unteransprüchen beschrieben sind.
Allein durch den Einsatz von Biokohle als teilweisen Ersatz für Zement im Beton kann man die Kohlenstoffbilanz eines Kubikmeters Beton bis zu 70% verbessern. Dabei ist die klimaneutrale Energie noch nicht berücksichtigt, auch nicht die Verbesserung der C02-Bilanz durch die Optimierung von Transportwegen.
Durch den Einsatz der Nebenprodukte eines Pyrolyseprozesses ist zusätzlich die sinnvolle Nutzung von verschiedensten Materialien möglich und gegeben, welche sonst verbrannt und deponiert werden müssten. Ganze Stoffströme können einer sinnvolleren Nutzung zugefuhrt werden. Biokohle fallt oft als Nebenprodukt der energetischen Nutzung von Biomasse an, so z.B. bei der Holzvergasung.
Unterstellt man die jährliche Herstellung von 70.000 m3 Beton in einem Fertigteilwerk unter Einsatz der Biokohle, dann würde dies die CO2 Bilanz um 10.220 t verbessern, bei 100 mittleren Fertigteilwerken wäre es etwas über 1.000.0001. Es besteht also eine gute Chance, gemäß der Maßnahmen dieser Ansprüche der geschaffenen Lösung, Beton klimaneutral zu machen und ihn dadurch klimapositiv am gesellschaftlichen Leben teilnehmen zu lassen.
Hinzu kommt noch, dass Beton in seiner Lebenszeit schon CO2 speichert, nämlich fast VA von dem was er zu seiner Entstehung emittiert hat, also etwa noch einmal 0,147 t je m3. Das berücksichtigt, ist der Beton klimapositiv oder emissionsnegativ. Allein durch den Einsatz der Biokohle im Beton kann man die Kohlenstoffbilanz eines Kubikmeters Beton bis 70% verbessern. Dabei ist die klimaneutrale Energie noch nicht berücksichtigt, auch nicht die Verbesserung der CCVBilanz durch die Optimierung von Transportwegen.
Durch die Pyrolyse ist ebenso auch die sinnvolle Nutzung von verschiedensten Materialien möglich, welche sonst verbrannt oder deponiert werden müssten, ganze Stoffströme können einer sinnvolleren Nutzung zugefuhrt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können vorteilhafterweise Holzhackschnitzel Altholzhackschnitzel und/oder Hackschnitzel oder Hackschnitzel aus Frischholz ohne Laubanteil in unterschiedlichen Größenfraktionen als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Biokohle eingesetzt werden.
Kombiniert man dann noch die Entstehung der Biokohle als Nebenprodukt eines pyrolytischen Zersetzung für die Energiegewinnung mit deren Einsatz bei der Betonherstellung an einem Ort, trägt man sehr effizient zum angestrebten Ziel der Klimaneutralität bei.
Bei der vorliegenden Erfindung wurde ein Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von Beton jeglicher Art und Sorte mit einer verbesserten C02-Bilanz geschaffen, bei dem Bindemittel, Zuschlagstoffe und Biokohle und eventuell noch weiteren Zusatzmitteln unter Zugabe von wässrigen Lösungsmitteln zur Herstellung einer Mischung für die Betonherstellung eingesetzt werden, wobei als Bindemittel Zement und als Zuschlag- und Zusatzstoffe organische und/oder anorganische Materialien, wie beispielsweise
Sand, Kies, Schotter, Schlacke und/oder recyceltes Baumaterial zum Einsatz kommen. Neben Leicht-, Normal- und Schwerzuschlägen können auch verschiedenste Zusatzstoffe, wie Gesteinsmehl und/oder Kunstharz in die Betonmischung mit eingebracht werden. Wichtig ist, dass die eingesetzte Biokohle dabei zuvor in einem Pyrolyseprozess bei mindestens 800°C und einer Mindestverweilzeit im Pyrolyseprozess von 3 Std hergestellt wird, um als Endprodukt dieses zweistufigen Pyrolyseprozesses als Biokohle für den Prozess der Betonherstellung bereitgestellt und diesem zugeführt werden zu können.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird die Biokohle vor der Zuführung zum Betonherstellungsprozess in einem zweistufigen Pyrolyseprozess hergestellt. In einer ersten Stufe bei 450°C und in einer 2. Stufe in einem Schwebebett eines Schwebebettreaktor bei mindestens 815°C. Dies stellt sicher, dass die Biokohle frei von Verunreinigungen ist und sie die endgültigen physikalischen Eigenschaften für den Einstz im Beton bekommt.
Zum Einbringen der Biokohle in den Mischprozess der Zuschlagstoffe, den Bindemitteln und der wässrigen Lösungen für die Betonherstellung muss die Biokohle zur Staubbindung und zum Erreichen eines Mischungsverhaltens auf Grund ihrer sehr geringen hydrophoben Eigenschaft vor dem Einbringen in den Mischprozess erfindungsgemäß so lange mit einem Biopolymergemisch, bestehend aus einer Suspension aus wenigstens 50% Wasser und höchstens 50% von einem biobasiertem Polymer, beaufschlagt werden, bis sich ein Sättigungsverhalten in der Form eingestellt hat, das sich während des Mischprozesses ein Biokohlegranulat bildet. Dazu werden als biobasierte Polymere Polylactid, als Polymer der Milchsäure, in Wasser lösliches Lignin,
Glycole , Stärke und/oder Polysacharide eingesetzt. Diese organischen Verbindungen sind in Verbindung mit Wasser in der Lage, auf Grund ihrer Struktur und Eigenschaft, eine Verbindung in Form einer Anhaftung mit der fein zerkleinerten Biokohle eingehen zu können und somit die Biokohle schnell und effizient zu granulieren und staubfrei zu machen. Als Granulat kann die Biokohle schnell, effektiv und staubfrei in den sonst üblichen Mischprozess bei der Zementherstellung mit einbezogen werden.
Es hat sich als Vorteil herausgestellt, für die Herstellung der Biokohle als Ausgangsmaterial Holzhackschnitzel ohne Laubanteil eingesetzt werden.
Da Biokohlen aus verschiedenartigsten organischen Stoffen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften ausgestattet sein können, besteht die Möglichkeit diese verschiedenartigsten organischen ligninhaltigen Stoffe in einem zweistufigen Pyrolyseprozess zu hochwertiger Biokohle mit guten Eigenschaften für deren Einsatz in der Betonherstellung aufzubereiten.
Für das zweistufige Pyrolyseverfahren ist es auch möglich, jegliche Lignin haltige Reststoffe oder Abfallprodukte für die Herstellung der Biokohle als Ausgangmaterial einzusetzen. Die hohen Temperaturen und die Zweistufigkeit des Verfahrens lassen es zu, dass eine Biokohle mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 80% entsteht und Fremdkörper vor dem Schwebebettreaktor abgesondert werden können, da diese wesentlich schwerer sind als das bereits entstandene Zwischenprodukt.
Die Erfindung soll nachträglich an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Bereitgestellte Holzhackschnitzel und Abfälle, wie Sägespäne eines Sägewerkes oder andere biogene ligninhaltige Abfälle werden einem zweistufigen Pyrolyseprozess eines Holzgaskraftwerkes zugeführt. In einer ersten Pyrolysestufe werden die biogenen Ausgangsmaterialen einem Verbrennungsreaktor zugeführt, welche die biogenen Rohstoffe bei 450°C pyrolysiert. Der feste Austrag der ersten Stufe des Pyrolyseprozesses als erste Holzkohlenstufe, wird von den Reststoffen gereinigt, wobei die Reststoffe aus dem Prozess entfernt werden. Die entstandene erste Holzkohlenstufe wird einer zweiten Stufe des Pyrolyseprozesses zugeführt. Hier wird die bereits entstandene Holzkohle in eine Schwebebettreaktor mit ca. 815°C beaufschlagt und es werden noch vorhandene Verharzungen und Reststoffe verkohlt und die so entstandene Biokohle als Nebenprodukt des Holzgaskraftwerkes aus dem Prozess der Holzvergasung entfernt und dem Prozess der Betonherstellung zugeführt.
Vor der Zuführung der entstandenen Biokohle zum Beton-Mischprozess wird diese einem Zerkleinerungs- und anschließend einem Granulierprozess unterzogen, um das Einarbeiten beim Beton-Mischprozess und das Integrieren der Biokohle in das Betongemisch wesentlich zu verbessern.
Bei der Zerkleinerung wird die Biokohle bis zu einer Korngröße < 125 prn zerkleinert und gegebenenfalls fraktioniert, um sie für den jeweiligen Betoneinsatz zu sortieren.
Anschließend wird die fraktionierte Biokohle mit ihren Staubanteilen einem Granulierprozess unterzogen. Da die Biokohle das 5-fache ihres Eigenwichtes an Wasser aufnehmen kann, ist es durch diesen Verfahrensschritt möglich, die Biokohle zeitsparend in den Betonmischprozess mit einbringen und den Mischprozess wie üblich durchführen zu können. Leider ist jedoch die zerkleinerte Kohle nur sehr langsam bereit, Wasser aufzusaugen. Um den Prozess der Benetzung zu beschleunigen wird hierzu dem dafür notwenigen Wasser bis zu 50 % eines biobasiertem Polymer zugemischt und dieses Biopolymergemisch auf die Biokohle solange aufgesprüht, bis die Biokohle dieses Gemisch bis zur Sättigung aufgesaugt hat und vollständig granuliert ist.
Als biobasiertes Polymer wird Polylactid, beispielsweise in Form von Molke eingesetzt. Diese hat einen hohen Eiweißgehalt aber sehr wenig Fettanteil und eignet sich hervorragend für den Granulierprozess.
Es ist jedoch auch möglich als biobasiertes Polymer in Wasser lösliches Lignin, Glycol, pflanzliche Stärke und/oder Polysacharide einzusetzen. Auch diese Polymere sind auf Grund ihrer Struktur und Eigenschaft geeignet, den Staub in der Biokohle zu binden von der Biokohle aufgesaugt zu werden und dadurch die fein aufbereitete Biokohle zu granulieren.
Alle aufgezeigten biobasierten Polymere werden vor deren Einsatz bei der Betonaufbereitung mit Wasser in einem Verhältnis von bis zu 50 Masse-% zur eingesetzten Polymermasse versetzt und gemischt und anschließen auf die Biokohle während des Granulierprozesses vorteilhafter Weise aufgesprüht.
Bei dem erfindungsgemäßen Prozess, Biokohle zur Herstellung von Beton einzusetzen und dabei Zement zu ersetzen, soll der Beton eine wesentlich verbesserte C02-Bilanz erhalten. Es werden Bindemittel, Zuschlagstoffe und Biokohle und eventuell noch weitere Zusatzmittel unter Zugabe von wässrigen Lösungsmitteln zur Herstellung einer Mischung zusammengeführt, wobei als Bindemittel Zement und als Zuschlagstoffe Sand, Kies, Schotter, Schlacke und/oder recyceltes Baumaterial eingesetzt werden.
Um die für diesen Einsatz notwendigen Eigenschaften von Biokohle zu erhalten, wird diese besonders aufbereitete Biokohle mit dem eingangs beschriebenen zweistufigen Pyrolyseprozess bei mindestens 800°C und einer Mindestverweilzeit im Pyrolyseprozess von 3 Std hergestellt. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die erste Pyrolysestufe bei mindestens 450°C durchzuführen und die zweite Stufe der Pyrolyse bei 815°C in einem Schwebebettreaktor durchzuführen, um sicher zu gehen, dass keine Verharzungen oder andere Störstoffe in der Biokohle übrig bleiben und die Biokohle bedenkenlos für den Prozess der Betonherstellung nach einem der Pyrolyse anschließenden Zerkleinerungsprozess und Granulierprozess bereitgestellt und zugeführt werden kann.
Der Beton mit Anteilen von Biokohle hat durch den Ersatz von Zement, welcher mit einem hohen Energieaufwand hergestellt werden muss und wichtige Ressourcen bindet, durch ein Nebenprodukt aus der Holzvergasung nicht nur eine wesentlich verbesserte CC -Bilanz, sondern weist auch verbesserte Gebrauchseigenschaften auf. So hat dieser Beton, wegen des hohen Porenvolumens der eingesetzten Biokohle bessere Schallschutzeigenschaften
als üblicher Beton. Auch die Isolationseigenschaften des Betons werden durch den Einsatz der Biokohle mit ihren geringen Werten der Wärmeleitfähigkeit, wesentlich verbessert. Auch die Druckfestigkeiten erhöhen sich gegenüber herkömmlichen Betonen mit gleichen Mischungsverhältnisses, jedoch ohne Biokohle.
Die Biokohle kann auch bei der Herstellung von hochfesten Betonen, bzw. in Geopolymerbetonen, Schaumbetonen, Leichtbetonen und selbstverdichtenden Betonen als Ersatz von Zement verwendet werden. Mit dem Ersatz von Zement durch Biokohle wird einerseits der Bedarf an energetisch sehr aufwendig herzustellenden Zement reduziert und dennoch die Eigenschaften des damit produzierten Betons in Bezug auf Schallabsorption, Atmungsaktivität, Wasserdichtheit, Feuchtigkeitsregulation, Isolierwerte und thermische Leitfähigkeit wesentlich verbessert, ohne weitere Maßnahmendurchfuhren zu müssen.
Claims
1. Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von jeglichem Beton mit einer verbesserten CC>2-Bilanz, durch Zusammenführen von Bindemitteln, Zuschlagstoffen und Biokohle und eventuell noch weiteren Zusatzmitteln unter Zugabe von wässrigen Lösungen zur Herstellung einer Mischung, wobei als Bindemittel Zement und als Zuschlagstoffe Sand,
Kies, Schotter, Schlacke und/oder recyceltes Baumaterial eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Biokohle als teilweiser Ersatz für den Zement und/oder den jeweils eingesetzten Zuschlagstoffen zuvor in einem zweistufigen Pyrolyseprozess bei zunächst 350°c bis 450°C und in der zweiten Stufe bei mindestens 800°C und einer Mindestverweilzeit im gesamten Pyrolyseprozess von 3 Std als Biokohle hergestellt und für den Prozess der Betonherstellung nach einem Zerkleinerungsprozess bereitgestellt und zugeführt wird und dass die Biokohle vor dem Mischen mit den Zuschlagstoffen und dem Bindemittel so lange mit einer Suspension aus wenigstens 50% Wasser und höchstens 50% von einem biobasiertem Polymer beaufschlagt und gemischt wird, dass sich ein Sättigungsverhalten bei der Biokohle und eingestellt hat und ein Biokohlegranulat entstanden ist.
2. Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von Beton mit einer verbesserten C02-Bilanz nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biokohle zuvor in einem zweistufigen Pyrolyseprozess in einer ersten Stufe bei mindestens 400°C und in einer 2. Stufe in einem Schwebebett eine Schwebebettreaktor bei mindestens 815°C als Nebenprodukt eines Holzvergasungsprozesses hergestellt wird.
3. Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von Beton mit einer verbesserten C02-Bilanz nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biokohle bis zu einer Korngröße bis zu < 125 pm zerkleinert wird.
4. Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von Beton mit einer verbesserten C02-Bilanz nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Biokohle Holzhackschnitzel ohne Laubanteil in unterschiedlichen Größenfraktionen eingesetzt werden.
5. Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von Beton mit einer verbesserten C02-Bilanz nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Biokohle Holzhackschnitzel aus Altholz eingesetzt werden.
6. Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von Beton mit einer verbesserten C02-Bilanz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für das Biopolymergemisch aus Wasser und wenigstens einem biobasiertem Polymer als biobasiertes Polymer Polylactid, in Wasser lösliches Lignin, Glycole, Stärke und/oder Polysacharide eingesetzt werden.
7. Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von Beton mit einer verbesserten C02-Bilanz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das biobasierte Polymer vor dessen Einsatz bei der Betonaufbereitung mit Wasser in einem Verhältnis von bis zu 50 Masse-% zur eingesetzten Polymermasse versetzt und gemischt wird.
8. Verfahren zum Einsatz von Biokohle bei der Herstellung von Beton mit einer verbesserten C02-Bilanz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das das Biopolymergemisch aus Wasser und wenigstens einem biobasierten Polymer auf die zerkleinerte Biokohle zum Granulieren aufgesprüht wird.
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