WO2008113309A1 - Method for the wet-chemical transformation of biomass by hydrothermal carbonization - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a process for the conversion of biomass into higher energy density solids, in particular coal, humus or peat, in which organic matter from the biomass is slurried to form a suspension in water and at least one part of the suspension to be converted heated to a reaction temperature and converted at elevated pressure by hydrothermal carbonation in the solids of higher energy density.
- the organic substances may, for example, be plant parts, other biomass or organic waste.
- the ingredients especially the carbohydrates (eg sugar, starch, celluloses, hemi-celluloses or others), in various raw materials, different plants and parts of plants, residues from food production, sewage sludge or other biogenic materials and waste, the Reaction faster or slower.
- the concentration and structure of the ingredients especially the carbohydrates (eg sugar, starch, celluloses, hemi-celluloses or others), in various raw materials, different plants and parts of plants, residues from food production, sewage sludge or other biogenic materials and waste, the Reaction faster or slower.
- the concentration of the ingredients especially the carbohydrates (eg sugar, starch, celluloses, hemi-celluloses or others), in various raw materials, different plants and parts of plants, residues from food production, sewage sludge or other biogenic materials and waste, the Reaction faster or slower.
- more or less heat is released per unit of time
- the object of the present invention is to provide a process for the conversion of biomass into higher energy density solids by hydrothermal carbonation, with which a more uniform quality of the products is achieved and the efficiency of the process is increased.
- organic matter from the biomass is slurried to form a suspension in water.
- a suspension in water.
- a preferred embodiment is in the water a
- the material that supports the conversion may be for example, an acid and / or an organic or inorganic substance which accelerates the reaction.
- the biomass may be, for example, organic waste, plant parts, wood, algae or other organic carbonaceous products.
- At least one part of the suspension to be converted is heated to a reaction temperature and converted at elevated pressure by means of hydrothermal carbonization into the solids of higher energy density.
- the method is characterized in that the conversion is carried out in a reaction volume which is located below the surface of the earth.
- reaction volume to a first reaction volume Preferably, the reaction volume to a first reaction volume
- Earth's surface is understood to be the boundary layer between the solid earth crust or the waters on the one side and the atmosphere on the other side.
- this material can be a large part of the reaction in the
- the pressure also does not vary so much. As a result, the reaction does not start so quickly and more evenly at the beginning.
- the concentration of convertible biomass constituents decreases over time, the temperature falls within
- Reaction volume does not decrease as quickly as in the case of the previous known process control. Rather, the surrounding material then slowly releases the stored heat back to the reaction volume.
- the reaction volume thus remains much longer warm and the reaction can be continued without additional heating of the suspension over many hours or even days, until even different raw materials are converted to comparable products with higher energy density.
- a further advantage of the proposed method is that new biomass can be supplied by the return of heat from the surrounding material into the reaction volume even after removal of the products and can be reacted without external heating or at least without strong additional heating. This allows in many cases the carbonization of several batches in a row without external supply of heat. Basically, the method thus allows both a continuous supply of biomass and a batch operation. As a result, the throughput in the process of the invention can be varied very greatly due to the heat buffering of the surrounding soil or water, without sacrificing the uniformity of the product quality.
- the process must be carried out in an area below the earth's surface in which a sufficient mass of surrounding material is available for the thermal buffering.
- the material should in this case be constructed so compact that it has a total mass in the vicinity of four times the mean diameter of the reaction volume, which corresponds to at least eight times the mass contained in the reaction volume. Based on a cylindrical reaction volume of a diameter D and a height H, this means that a cylindrical volume with the same height and four times the diameter minus the cylindrical reaction volume should contain at least eight times the mass of the reaction volume filled with the suspension contains in order to achieve a particularly good heat buffering for the proposed method.
- the surrounding material such as soil, loam, sand or water, is able to at least partially compensate for and absorb the pressure resulting from the reaction due to the pressure prevailing below the earth's surface.
- a reactor used for the hydrothermal carbonization can therefore be made significantly thinner walled for use under the earth's surface than when used above the earth's surface. This saves additional costs.
- this reactor may, for example, consist of steel, which in concrete or reinforced concrete in a cavity under the
- the wall of this reactor can be made very thin-walled.
- the wall of the cavity can be used as a reactor wall. If necessary, this cavity can be additionally lined with waterproof materials. Such a lining can also be achieved by synthetic additives in the water. An automatic seal by the reaction products of the process, such as. Carbon particles, may u.U. take place opposite the surrounding rock.
- the product composition can also be made uniform as the pressure increases above the pressure corresponding to the reaction temperature becomes. Due to the additional application of a pressure in the reaction volume, the pressure also increases during the entire reaction and then decreases again, but the percentage relative pressure fluctuations are smaller. It is particularly advantageous if the pressure in the reaction volume is kept constant or at least largely constant by technical measures. These measures decouple temperature and pressure from each other. The operator of the hydrothermal carbonation is thus able to choose the pressure according to the composition of the input so that the homogenization of the product quality is improved. When applying an additional pressure not only the composition of the final product can be made uniform. Rather, depending on the input material, the yield of solid products with high energy density can be increased by the increased pressure, so that the process can be operated even more economically. The operator has with the additional pressure build-up a valuable
- the additional pressure build-up, in addition to various other mechanical methods z. B. also be achieved in that the reaction volume is displaced sufficiently deep into the soil.
- the location of the reaction volume is chosen so deep that a water column located above the reaction volume, which is needed for the supply and removal of the suspension, a hydrostatic pressure in the reaction volume which is higher than the equilibrium pressure which would be set at the reaction temperature in a gas-tight reactor filled with the suspension.
- a hydrostatic pressure it is also very easy to maintain a constant pressure. It only has to be ensured that a liquid inlet or outlet is possible on the surface of the water column. This can, for example. Through openings or by using non-sealing pumps such as.
- Centrifugal pumps are possible. With a temperature increase in the reaction volume, liquid can then escape at the surface and the pressure in the reaction volume remains largely constant.
- the water column is used as a pressure buffer. The reaction conditions are thereby made uniform and the solids yield can be additionally increased.
- reaction volume is formed with a greater width than height.
- hydrostatic pressure generation an approximately equal pressure is generated at all points in the reaction volume, whereby the homogenization of the reaction conditions is additionally supported.
- This formation of the reaction volume can be achieved by introducing into horizontally extending shafts, for example. Kohlemachiningchte.
- a height difference of at least 100 m is selected between the upper fill level and the reaction volume.
- the reactor is designed such that the inlet and outlet openings are arranged at the same height or at least, compared to the total reactor height, at a similar height, so that a hydrostatic pressure difference between the openings does not account for 10% of the pressure exceeds.
- the pumps used then do not have to overcome high pressure differences and can thus be made very simple and inexpensive.
- the outer wall of the reactor flexible, so that it conforms to the inner wall of the cavity or at least serves only as a barrier to the surrounding rock or water. It is also particularly advantageous to use thin sheets or metal foils which have a high temperature resistance in comparison to other materials.
- An advantage of the pressure build-up by the hydrostatic pressure in the reactor is that the pressure increases evenly with increasing depth.
- the residence time can be set specifically and thus adapted to the respective raw material. It is useful to have cooling water connections at regular intervals over the height and volume of the reactor to introduce cold water and slow down the reaction when needed. This can be used to avoid overheating of the reaction and to use the heated water energetically. This process can also be done via to be installed in the reactor heat exchanger.
- mixing elements can be incorporated into the reactor to limit the sedimentation of solids.
- Particularly advantageous gases such as compressed air can be introduced into the reactor, which cause a mixing. It is also possible to achieve gas formation by partial evaporation of the water in the suspension. The turbulences that arise in this case lead to a good mixing and to avoid blockages. Targeted evaporation of some of the water can also be used to deflate the reactor after completion of the reaction. This can be done by pumping in the inlet or outlet befindlichem
- the flow cross sections can be reduced so far that a critical flow velocity is exceeded. It is also possible to run a cascade in galleries underground
- Rlickreaktoren to build and surrounded by soil, rock or water, which are flowed through in series. In this form, they are very inexpensive to manufacture and allow a quick flow.
- Clogging of the reactor can also be avoided if the flow direction is reversed at regular intervals and thus a type of pulsation is achieved, which is superimposed on a constant flow velocity.
- This pulsation leads to turbulence in the reactor and thus prevents deposits very efficiently.
- impurities such as stones, metal, glass or similar inorganic materials
- This may be gravitational separation, such as a clarifier in sewage treatment plants, or a hydrocyclone or other method known in the art for separating solids from suspensions.
- particles that are prone to sedimentation can be selectively removed from the reactor.
- devices may be introduced into the reactor which will batch or continuously convey sedimented solids from the reactor with prior art aggregates (e.g., conveyors, scrapers, chains, screws, pumps). These solids can be fractionated outside the reactor, so that coarse organic materials can be returned to the reaction space after a corresponding comminution.
- the reactor consists only of a cavity present in deeper rock layers, wherein the feed of the reaction mixture is conveyed through a feed line to a depth sufficient for the reaction.
- Particularly advantageous is e.g. the use of old production shafts from mining, shut down tunnels or other underground structures.
- the existing lining of the shafts or tunnels can be used as a "reactor wall" and the entire volume of the shaft as a reactor.
- Sealing of the system can be achieved by additives in the water or the system seals itself by the reaction products such as coal particles against the surrounding rock itself.
- an inlet or outlet When using holes in the ground, an inlet or outlet must be provided in the lower part of the reactor. Through an inlet or outlet channel in the lower portion of the shaft or hole, the cross-sectional area and flow rate can be variably adjusted, an upward flow is set over the entire remaining shaft cross-section.
- the area ratio of upflowed reactor space and upflowed reactor part can be up to 99.99% depending on the requirement of 0.01%.
- Heat exchangers for cooling or heating which can be arranged in the shaft, are used for temperature and reaction control and thus the
- horizontally extending coal shafts formerly used as underground mining areas and now shut down, can be used as reaction volumes.
- the raw material suspension can be introduced into shafts via outlying areas, and all input streams from the production well can be conveyed centrally from deep within, or vice versa.
- the water used for the suspension it is advantageous for the water used for the suspension to be completely or partially recirculated for the complete utilization of raw materials.
- the desired reaction product such as coal particles from the suspension and remaining substrates, unreacted raw materials and reaction products such as phenols or other secondary products to promote together with new crushed biogenic raw material back into the reaction space.
- the skilled person is aware that a concentration of minerals or unreactable Shares must be avoided. This can be done by a correspondingly dimensioned bleed current.
- the described method brings additional advantages when operated in combination with geothermal energy.
- energy is added to the reaction mixture in warmer areas in the soil, the reaction mixture is additionally heated and the reaction is thus accelerated.
- the additional energy released can then be used in the prior art by dissipating the heat or by transformation into electricity or hydrogen.
- the carbon-rich reaction products are in many cases present as finely dispersed nanospheres. This fact can be used to promote solid energy very beneficial.
- a mechanical separation of the solids from the liquid takes place, for example by centrifugal separation processes.
- the liquid fraction containing the amino acids and minerals from the organic raw material can be used as fertilizer directly or after concentration by partial separation of the water.
- the nanoparticulate solids which consist predominantly of carbon, are again mixed with water and adjusted to a dry matter content of 40 to 60% by mass.
- an energy density of up to 18 gigajoules per tonne can be set in the suspension, which corresponds to about half the energy density of crude oil.
- the viscosity of the suspension in the feed of the reactor should be at least 20 mPas
- the liquid phase should not exceed values of 5 mPas.
- the promotion of biomass or reaction suspension takes place in depth in vessels or containers such as containers, barrels, baskets, sacks, cylindrical or cuboid vessels made of different materials or in similar spatially defined volumes in the interior of the under Earth attached reactor.
- the containers or vessels are sufficiently heated in the reactor, so that the reaction can take place inside the container, without discharging the biomass from the containers.
- valves in the containers that depending on the depth of the pressure in the reactor can be transferred to the interior of the container.
- the promotion of the containers through the reaction space can be carried out in a displacement promotion, similar to the procedure in the case of tower heaters in the food industry, which are used for heating cans. Each container pushes the next container in the tubular reaction space on. It is also possible to use conveyors for containers of the prior art, such as e.g. Chain conveyors, screws, cables or other devices for transporting vessels through pipelines. The transport of the containers through the shaft or reaction cavities can also be carried out in a similar way to other transport
- Reactor areas are separated by locks, sheets or other internals or that so-called. Pigging, which cause a substantial sealing of the reactor cross-section and are moved with the flow are used as partitions between individual reactor sections. Due to this multi-chamber design of the reaction space, different process conditions such as temperatures can be set in each segment, which facilitates process control.
- Fig. 2 is a schematic representation of the process flow in the proposed
- Figure 1 shows schematically an example of an embodiment of a reactor for carrying out the present method, which is introduced in this example in a shaft 1 below the earth's surface.
- the shaft 1 is located at a depth of 200 m.
- the reactor 2 has an inlet 3 to the reaction volume, which in this case occupies the entire volume of the horizontally arranged reactor.
- the slurried biomass is pumped via this feed 3 in the reaction volume.
- the reaction products are pumped back up via the outlet 4.
- the wall of the reactor 2 can be made relatively thin, since the hydrostatically generated in this case pressure is absorbed by the surrounding soil 5.
- the reactor 2 is surrounded in a radius of soil 5, which corresponds to at least four times the diameter D of the reaction volume.
- the slurried biomass is first introduced into the reactor 2 at a temperature of about 80 ° C. Due to the very violent exothermic reaction in the reaction volume at the beginning of the process, the suspension heats up to over 200 0 C. The heat absorption and storage due to the large mass of the surrounding material means that there is no rapid overheating. In a later stage of the reaction, in which much less heat is generated, the reaction temperature is achieved by the heat given off by the surrounding material, so that the reaction can be maintained without external supply of energy over a longer period of time.
- FIG. 2 shows schematically the process flow again in a flow chart.
- the delivered from a farm biomass 6, which may be in a dry or wet state, is first crushed in a crushing and suspension step 7 and slurried in water.
- acids, organic or inorganic catalysts can be used.
- After heating the resulting suspension to about 80 0 C this is with a suitable pump in the deep shaft reactor 8, as shown schematically, for example, in Figure 1, promoted.
- the reaction volume of this reactor the exothermic reaction takes place, whereby in the first period of the process, a hot suspension of about 200 0 C is discharged from the reactor containing water and carbon particles.
- the heat of this suspension is used in a conversion step 9 to electrical To generate energy.
- a separation step 10 the separation of water and coal, so that finally pure coal 11 is available for energy production.
- the coal can be used, for example, as a raw material for liquid hydrocarbon-rich fuels.
- Separation step 10 a fraction of water with dissolved minerals and amino acids is obtained.
- the minerals and amino acids are separated in step 12 and transported as fertilizer 13 back to the field.
- the water is reused in the crushing and suspension step 7.
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Abstract
Description
Verfahren zur nasschemischen Umwandlung von Biomasse durch hydrothermale Karbonisierung Process for wet-chemical conversion of biomass by hydrothermal carbonation
Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konvertierung von Biomasse in Feststoffe höherer Energiedichte, insbesondere in Kohle, Humus oder Torf, bei dem organische Stoffe aus der Biomasse unter Bildung einer Suspension in Wasser aufgeschlämmt werden und bei dem zumindest ein zu konvertierender Teil der Suspension auf eine Reaktionstemperatur aufgeheizt und bei erhöhtem Druck durch hydrothermale Karbonisierung in die Feststoffe höherer Energiedichte konvertiert wird. Bei den organischen Stoffen kann es sich beispielsweise um Pflanzenteile, andere Biomasse oder organische Abfälle handeln.Technical Field The present invention relates to a process for the conversion of biomass into higher energy density solids, in particular coal, humus or peat, in which organic matter from the biomass is slurried to form a suspension in water and at least one part of the suspension to be converted heated to a reaction temperature and converted at elevated pressure by hydrothermal carbonation in the solids of higher energy density. The organic substances may, for example, be plant parts, other biomass or organic waste.
Stand der Technik Die Umwandlung von Biomasse in Produkte, die im Vergleich zur eingesetzten Biomasse einen höheren massespezifischen Energiegehalt aufweisen, wie bspw. Öl, Gas oder Kohle, gewinnt zunehmend an Bedeutung.PRIOR ART The conversion of biomass into products which have a higher mass-specific energy content in comparison with the biomass used, such as, for example, oil, gas or coal, is becoming increasingly important.
Bekannt sind unter anderem Verfahren zur Gewinnung von Gas und/oder Öl und Kohlenstoff bei hohen Temperaturen, beispielsweise durch Pyrolyse, Vergasung oder Verschwelung. In diesem Zusammenhang kommen vielfach Katalysatoren zum Einsatz, die die Reaktion beschleunigen und die ProduktZusammensetzung positiv beeinflussen .Known methods include the production of gas and / or oil and carbon at high temperatures, for example by pyrolysis, gasification or charring. In this context, many catalysts are used, the reaction accelerate and positively influence the product composition.
In jüngster Zeit werden zur Gewinnung von Produkten, die im Vergleich zur eingesetzten Biomasse einen höheren massespezifischen Energiegehalt aufweisen, auch nasschemische Verfahren wie die hydrothermale Karbonisierung diskutiert. Hierbei werden Pflanzenteile oder andere organische Stoffe zer- kleinert, in Wasser aufgeschlämmt und in der Regel mit mindestens einem die Konvertierung unterstützenden Stoff versetzt, beispielsweise mit Säure und/oder einem zusätzlichen organischen oder anorganischen Katalysator. Die Suspension wird in einen Reaktor gefüllt und der Reaktor wird verschlossen. Danach wird dieMore recently, wet-chemical processes such as hydrothermal carbonation are being discussed for the recovery of products that have a higher mass-specific energy content compared to the biomass used. Here, plant parts or other organic substances are crushed, slurried in water and usually added with at least one conversion-supporting substance, for example with acid and / or an additional organic or inorganic catalyst. The suspension is filled in a reactor and the reactor is closed. After that, the
Suspension auf eine Temperatur zwischen 1700C und 2500C erwärmt. Da der Reaktor verschlossen ist, steigt aufgrund des Wasserdampf-Partialdruckes mit zunehmender Temperatur auch der Druck an. Je nach Temperatur steigt der Druck auf Werte von 10*105 bis 20*105 Pa (10 bis 20 bar) oder höher. Im Verlauf der Reaktion der hydrothermalen Karbonisierung wird von den in der Biomasse enthaltenen Kohlenhydraten in mehreren Stufen Wasserstoff und Sauerstoff in Form von Wasser abgespalten, wobei Energie freigesetzt wird. Je länger die Reaktion andauert, desto mehr Wasser ist bereits abgespalten und die Energiedichte der Produkte steigt weiter an. Es entstehen unter anderem Feststoffe wie Torf, Humus, Braunkohle, Steinkohle oder andere Stoffe, die im Vergleich zur eingesetzten Biomasse einen deutlich höheren massespezifischen Energiegehalt aufweisen. Je nach Konzentration und Aufbau der Inhaltsstoffe, v.a. der Kohlenhydrate (z.B. Zucker, Stärke, Zellulosen, HemiZellulosen oder andere) , in verschiedenen Rohstoffen, unterschiedlichsten Pflanzen und Pflanzenteilen, Rückständen aus der Lebensmittel - Produktion, Klärschlämmen oder anderen biogenen Materialien und Abfällen, läuft die Reaktion schneller oder langsamer ab. Je nach den Eigenschaften und der Konzentration der eingesetzten biogenen Rohstoffe wird pro Zeiteinheit mehr oder weniger Wärme frei, dieSuspension heated to a temperature between 170 0 C and 250 0 C. Since the reactor is closed, due to the partial pressure of water vapor, the pressure increases with increasing temperature. Depending on the temperature, the pressure increases to values of 10 * 10 5 to 20 * 10 5 Pa (10 to 20 bar) or higher. In the course of the hydrothermal carbonation reaction, hydrogen and oxygen in the form of water are split off from the carbohydrates contained in the biomass in several stages, whereby energy is released. The longer the reaction lasts, the more water is already split off and the energy density of the products continues to increase. Among other things, it produces solids such as peat, humus, lignite, hard coal or other substances that have a significantly higher mass-specific energy content compared to the biomass used. Depending on the concentration and structure of the ingredients, especially the carbohydrates (eg sugar, starch, celluloses, hemi-celluloses or others), in various raw materials, different plants and parts of plants, residues from food production, sewage sludge or other biogenic materials and waste, the Reaction faster or slower. Depending on the properties and the concentration of the biogenic raw materials used, more or less heat is released per unit of time
Temperatur und der Druck im Reaktor steigen schneller oder langsamer an und es werden unterschiedlich hohe Absolutwerte für Druck und Temperatur erreicht . Im Verlauf der Reaktion, wenn immer weniger biogenes Material für die Reaktion zur Verfügung steht, verlangsamt sich die Reaktion erheblich. Die Temperatur fällt wieder ab, bis die Reaktion nach einer bestimmten Zeit aufgrund einer zu niedrigen Temperatur zum Erliegen kommt. Dies führt unter Umständen zu einer unvoll- ständigen Umsetzung des eingesetzten Materials, für die eine Reaktionszeit von mehreren Stunden bis zu mehreren Tagen oder länger erforderlich sein kann. Ein Nachheizen des Reaktors von außen zur Verlängerung der Reaktionszeiten erfordert jedoch einen zusätzlichen Energieeintrag, der die Karbonisierung unwirtschaftlich machen kann.Temperature and pressure in the reactor increase faster or slower and different absolute values of pressure and temperature are achieved. In the course of the reaction, as less and less biogenic material is available for the reaction, the reaction slows down considerably. The temperature drops again until the reaction comes to a halt after a certain time due to too low a temperature. This may result in incomplete conversion of the material used, which may require a reaction time of several hours to several days or more. However, reheating the reactor from the outside to extend the reaction times requires an additional energy input, which can make the carbonization uneconomical.
Die Kopplung von Temperatur und Druck bei dieser Reaktion und die unterschiedlichen Reaktionsgeschwin- digkeiten von unterschiedlichen eingesetzten Rohstoffen führen dazu, dass die Temperatur- und Druckverläufe während der Reaktion je nach Zusammensetzung und Konzentration der Biomasse im Inputstrom der hydro- thermalen Karbonisierung sehr unterschiedlich sind. Die dabei erhaltenen Produkte können sich deshalb in ihrer Zusammensetzung sehr stark unterscheiden. Dies kann dazu führen, dass die Produkte keine konstante Qualität aufweisen und keine hohen Erlöse bringen, was die hydrothermale Karbonisierung unwirtschaftlich machen kann.The coupling of temperature and pressure in this reaction and the different reaction rates of different raw materials used mean that the temperature and pressure profiles during the reaction, depending on the composition and concentration of the biomass in the input stream of the hydro- thermal carbonation are very different. The products thus obtained can therefore differ greatly in their composition. As a result, the products may not be of consistent quality and high yields, which may render the hydrothermal carbonization uneconomical.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Konvertierung von Biomasse in Feststoffe höherer Energiedichte durch hydrothermale Karbonisierung anzugeben, mit dem eine gleichmäßigere Qualität der Produkte erreicht und die Wirtschaftlichkeit des Prozesses gesteigert wird.The object of the present invention is to provide a process for the conversion of biomass into higher energy density solids by hydrothermal carbonation, with which a more uniform quality of the products is achieved and the efficiency of the process is increased.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patent- anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved by the method according to patent claim 1. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiment.
Bei dem Verfahren zur Konvertierung von Biomasse in Feststoffe höherer Energie- und Kohlenstoffdichte, wie beispielsweise Kohle, Humus oder Torf, werden organische Stoffe aus der Biomasse unter Bildung einer Suspension in Wasser aufgeschlämmt . In einer bevorzugten Ausgestaltung ist im Wasser ein dieIn the process of converting biomass to higher energy and carbon solids, such as coal, humus or peat, organic matter from the biomass is slurried to form a suspension in water. In a preferred embodiment is in the water a
Konvertierung unterstützender Stoff enthalten oder wird dem Wasser oder der Suspension zugegeben. Bei dem die Konvertierung unterstützenden Stoff kann es sich beispielsweise um eine Säure und/oder um einen organischen oder anorganischen Stoff handeln, der die Reaktion beschleunigt. Bei der Biomasse kann es sich beispielsweise um organische Abfälle, um Pflanzenteile, Holz, Algen oder andere kohlenstoffhaltige organische Produkte handeln. Zumindest ein zu konvertierender Teil der Suspension wird auf eine Reaktionstemperatur aufgeheizt und bei erhöhtem Druck mittels hydrothermaler Karbonisierung in die Feststoffe höherer Energiedichte konvertiert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Konvertierung in einem Reaktionsvolumen durchgeführt wird, das sich unterhalb der Erdoberfläche befindet .Conversion supportive substance or is added to the water or the suspension. The material that supports the conversion may be for example, an acid and / or an organic or inorganic substance which accelerates the reaction. The biomass may be, for example, organic waste, plant parts, wood, algae or other organic carbonaceous products. At least one part of the suspension to be converted is heated to a reaction temperature and converted at elevated pressure by means of hydrothermal carbonization into the solids of higher energy density. The method is characterized in that the conversion is carried out in a reaction volume which is located below the surface of the earth.
Vorzugsweise ist das Reaktionsvolumen zurPreferably, the reaction volume to
Pufferung frei werdender Reaktionswärme in einem Umkreis, der mindestens dem 4-fachen mittleren Durchmesser des Reaktionsvolumens entspricht, von einer Masse an kompaktem flüssigem und/oder festem Material umgeben, die größer ist als die achtfache Masse der in dem Reaktionsvolumen befindlichen Suspension. Oberhalb dieser Masse wird bereits eine gute Vergleichmäßigung der Produkteigenschaften beobachtet .Buffering of liberated heat of reaction in a radius corresponding to at least 4 times the mean diameter of the reaction volume, surrounded by a mass of compact liquid and / or solid material which is greater than eight times the mass of the suspension in the reaction volume. Above this mass, a good homogenization of the product properties is already observed.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren findet dieIn the proposed method finds the
Reaktion somit unterhalb der Erdoberfläche statt. Unter Erdoberfläche wird dabei die Grenzschicht zwischen der festen Erdkruste oder den Gewässern auf der einen und der Atmosphäre auf der anderen Seite verstanden. Bei der Prozessführung unterhalb der Erdoberfläche mit einer ausreichenden Menge von kompaktem, flüssigem und/oder festem Material um das Reaktionsvolumen herum können auch bei schwankender Biomasse-Konzentration und -Zusammensetzung energie- und kohlenstoffreiche Produkte erzeugt werden, die eine deutlich gleichmäßigere Zusammensetzung aufweisen, als Produkte, die in der bekannter Weise in einem Reaktor oberhalb der Erdoberfläche hergestellt werden.Reaction thus below the earth's surface instead. Earth's surface is understood to be the boundary layer between the solid earth crust or the waters on the one side and the atmosphere on the other side. In the process below the earth's surface with a sufficient amount of compact, liquid and / or solid material around the reaction volume around even with fluctuating biomass concentration and Compound energy-rich and carbon-rich products are produced, which have a much more uniform composition, than products which are prepared in the known manner in a reactor above the surface.
Durch die Verlagerung des Reaktionsraums unter die Erdoberfläche mit dem umgebenden Material, wie bspw. Gestein, Sand, Wasser oder Erdreich, kann dieses Material einen großen Teil der bei der Reaktion imBy shifting the reaction space below the earth's surface with the surrounding material, such as. Rock, sand, water or soil, this material can be a large part of the reaction in the
Anfangsstadium frei werdenden Energie in Form von Wärme aufnehmen. Durch den mit der umgebenden Masse stattfindenden Wärmeaustausch steigt die Temperatur im Reaktionsvolumen bzw. Reaktionsgemisch langsamer und nicht so weit an wie bei einem Reaktor oberhalb derIn the beginning stage, released energy in the form of heat absorb. By taking place with the surrounding mass heat exchange, the temperature in the reaction volume or reaction mixture increases more slowly and not as far as in a reactor above the
Erdoberfläche, wobei der Druck ebenfalls nicht so stark schwankt. Infolgedessen läuft die Reaktion zu Beginn nicht so schnell und gleichmäßiger ab. Bei Abnahme der Konzentration an umwandelbaren Inhaltsstoffen der Biomasse mit der Zeit fällt die Temperatur imEarth surface, the pressure also does not vary so much. As a result, the reaction does not start so quickly and more evenly at the beginning. When the concentration of convertible biomass constituents decreases over time, the temperature falls within
Reaktionsvolumen auf der anderen Seite nicht so schnell wieder ab wie bei der bisherigen bekannten Verfahrens- führung. Vielmehr gibt das umgebende Material dann die gespeicherte Wärme langsam wieder an das Reaktions- volumen ab. Das Reaktionsvolumen bleibt dadurch viel länger warm und die Reaktion kann ohne zusätzliche Erwärmung der Suspension über viele Stunden oder sogar Tage weitergeführt werden, bis auch unterschiedliche Rohstoffe zu vergleichbaren Produkten mit höherer Energiedichte umgewandelt sind. Vorzugsweise steht dasReaction volume, on the other hand, does not decrease as quickly as in the case of the previous known process control. Rather, the surrounding material then slowly releases the stored heat back to the reaction volume. The reaction volume thus remains much longer warm and the reaction can be continued without additional heating of the suspension over many hours or even days, until even different raw materials are converted to comparable products with higher energy density. Preferably that stands
Reaktionsvolumen hierbei zumindest stellenweise in direktem Kontakt zum umgebenden kompakten Material . Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass durch die Rückführung von Wärme aus dem umgebenden Material in das Reaktionsvolumen auch nach der Entnahme der Produkte wieder neue Biomasse zugeführt werden und ohne externe Erwärmung oder zumindest ohne eine starke zusätzliche Erwärmung zur Reaktion gebracht werden kann. Dies ermöglicht in vielen Fällen die Karbonisierung mehrerer Chargen hintereinander ohne externe Zuführung von Wärme. Grundsätzlich ermöglicht das Verfahren somit sowohl eine kontinuierliche Zuführung der Biomasse als auch einen Batchbetrieb. Dadurch kann der Durchsatz bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung aufgrund der Wärmepufferung des umgebenden Erdreichs oder Wassers sehr stark variiert werden kann, ohne dass Einbußen in der Gleichförmigkeit der Produktqualität auftreten.Reaction volume here at least in places in direct contact with the surrounding compact material. A further advantage of the proposed method is that new biomass can be supplied by the return of heat from the surrounding material into the reaction volume even after removal of the products and can be reacted without external heating or at least without strong additional heating. This allows in many cases the carbonization of several batches in a row without external supply of heat. Basically, the method thus allows both a continuous supply of biomass and a batch operation. As a result, the throughput in the process of the invention can be varied very greatly due to the heat buffering of the surrounding soil or water, without sacrificing the uniformity of the product quality.
Das Verfahren muss dabei in einem Bereich unterhalb der Erdoberfläche durchgeführt werden, in dem eine ausreichende Masse umgebendes Material für die Wärme- pufferung zur Verfügung steht. Vorzugsweise sollte das Material hierbei so kompakt aufgebaut sein, dass es in dem Umkreis des vierfachen mittleren Durchmessers des Reaktionsvolumens eine Gesamtmasse aufweist, die mindestens der achtfachen Masse entspricht, die im Reaktionsvolumen enthalten ist. Bezogen auf ein zylindrisches Reaktionsvolumen eines Durchmessers D und einer Höhe H bedeutet dies, dass ein zylindrisches Volumen mit der gleichen Höhe und dem vierfachen Durch- messer abzüglich des zylindrischen Reaktionsvolumens mindestens die achtfache Masse enthalten sollte als das mit der Suspension gefüllten Reaktionsvolumen an Masse enthält, um eine besonders gute Wärmepufferung für das vorgeschlagene Verfahren zu erreichen.The process must be carried out in an area below the earth's surface in which a sufficient mass of surrounding material is available for the thermal buffering. Preferably, the material should in this case be constructed so compact that it has a total mass in the vicinity of four times the mean diameter of the reaction volume, which corresponds to at least eight times the mass contained in the reaction volume. Based on a cylindrical reaction volume of a diameter D and a height H, this means that a cylindrical volume with the same height and four times the diameter minus the cylindrical reaction volume should contain at least eight times the mass of the reaction volume filled with the suspension contains in order to achieve a particularly good heat buffering for the proposed method.
Das umgebende Material, wie bspw. Erdreich, Lehm, Sand oder Wasser, ist aufgrund des unter der Erdoberfläche vorherrschenden Druckes in der Lage, den von der Reaktion ausgehenden Druck zumindest zum Teil zu kompensieren und aufzunehmen. Ein für die hydrothermale Karbonisierung eingesetzter Reaktor kann deshalb für den Einsatz unter der Erdoberfläche deutlich dünnwandiger ausgeführt werden als bei einem Einsatz oberhalb der Erdoberfläche. Dies spart zusätzlich Kosten. In einer besonders einfachen Reaktorausführung kann dieser Reaktor bspw. aus Stahl bestehen, der in Beton oder Stahlbeton in einen Hohlraum unter derThe surrounding material, such as soil, loam, sand or water, is able to at least partially compensate for and absorb the pressure resulting from the reaction due to the pressure prevailing below the earth's surface. A reactor used for the hydrothermal carbonization can therefore be made significantly thinner walled for use under the earth's surface than when used above the earth's surface. This saves additional costs. In a particularly simple reactor design, this reactor may, for example, consist of steel, which in concrete or reinforced concrete in a cavity under the
Erdoberfläche eingebettet ist. Durch die Betonhülle findet ein sehr guter Wärmeübergang in das umgebende Material statt . Die Wandung dieses Reaktors kann sehr dünnwandig ausgeführt werden.Earth's surface is embedded. Due to the concrete cover there is a very good heat transfer into the surrounding material. The wall of this reactor can be made very thin-walled.
Weiterhin kann auch die Wandung des Hohlraums als Reaktorwandung genutzt werden. Falls erforderlich, kann dieser Hohlraum zusätzlich mit wasserdichten Materialien ausgekleidet werden. Eine derartige Auskleidung kann auch durch synthetische Zusätze im Wasser erreicht werden. Auch eine automatische Abdichtung durch die Reaktionsprodukte des Verfahrens, wie bspw. Kohlepartikel, kann u.U. gegenüber dem umgebenden Gestein stattfinden.Furthermore, the wall of the cavity can be used as a reactor wall. If necessary, this cavity can be additionally lined with waterproof materials. Such a lining can also be achieved by synthetic additives in the water. An automatic seal by the reaction products of the process, such as. Carbon particles, may u.U. take place opposite the surrounding rock.
Die ProduktZusammensetzung kann zudem vergleichmäßigt werden, wenn der Druck über den mit der Reaktionstemperatur korrespondierenden Druck erhöht wird. Durch das zusätzliche Aufbringen eines Druckes im Reaktionsvolumen steigt der Druck während der gesamten Reaktion zwar auch an und fällt anschließend auch wieder ab, die prozentualen, relativen Druckschwankungen sind aber kleiner. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Druck im Reaktionsvolumen durch technische Maßnahmen konstant oder zumindest weitgehend konstant gehalten wird. Durch diese Maßnahmen werden Temperatur und Druck voneinander entkoppelt . Der Betreiber der hydrothermalen Karbonisierung ist damit in der Lage, den Druck je nach Zusammensetzung des Inputs so zu wählen, dass die Vergleichmäßigung der Produktquälitat verbessert wird. Bei Aufbringen eines zusätzlichen Druckes kann nicht nur die Zusammensetzung des Endproduktes vergleichmäßigt werden. Vielmehr kann je nach Inputmaterial auch die Ausbeute an festen Produkten mit hoher Energiedichte durch den erhöhten Druck gesteigert werden, so dass der Prozess noch wirtschaftlicher betrieben werden kann. Der Betreiber hat mit dem zusätzlichen Druckaufbau ein wertvollesThe product composition can also be made uniform as the pressure increases above the pressure corresponding to the reaction temperature becomes. Due to the additional application of a pressure in the reaction volume, the pressure also increases during the entire reaction and then decreases again, but the percentage relative pressure fluctuations are smaller. It is particularly advantageous if the pressure in the reaction volume is kept constant or at least largely constant by technical measures. These measures decouple temperature and pressure from each other. The operator of the hydrothermal carbonation is thus able to choose the pressure according to the composition of the input so that the homogenization of the product quality is improved. When applying an additional pressure not only the composition of the final product can be made uniform. Rather, depending on the input material, the yield of solid products with high energy density can be increased by the increased pressure, so that the process can be operated even more economically. The operator has with the additional pressure build-up a valuable
Instrument zur Verfügung, das je nach Anforderung und Zusammensetzung des Inputmaterials eine gezielte Veränderung und damit eine Optimierung der Produktqualität oder der Ausbeute ermöglicht.Depending on the requirements and composition of the input material, a targeted change and thus an optimization of the product quality or the yield is possible.
Der zusätzliche Druckaufbau kann neben verschiedenen anderen mechanischen Methoden z. B. auch dadurch erreicht werden, dass das Reaktionsvolumen ausreichend tief ins Erdreich verlagert wird. Der Ort des Reaktionsvolumens wird dabei so tief gewählt, dass eine über dem Reaktionsvolumen befindliche Wassersäule, die zur Zu- und Abführung der Suspension benötigt wird, einen hydrostatischen Druck im Reaktionsvolumen erzeugt, der höher als der Gleichgewichtsdruck ist, der sich bei der Reaktionstemperatur in einem mit der Suspension befüllten gasdichten Reaktor einstellen würde. Bei Aufbau eines derartigen hydrostatischen Druckes ist es zudem sehr einfach möglich, einen konstanten Druck aufrecht zu erhalten. Dabei muss nur sichergestellt werden, dass an der Oberfläche der Wassersäule ein Flüssigkeitsein- oder -austritt möglich ist. Dies kann bspw. durch Öffnungen oder durch Verwendung von nicht abdichtenden Pumpen wie bspw.The additional pressure build-up, in addition to various other mechanical methods z. B. also be achieved in that the reaction volume is displaced sufficiently deep into the soil. The location of the reaction volume is chosen so deep that a water column located above the reaction volume, which is needed for the supply and removal of the suspension, a hydrostatic pressure in the reaction volume which is higher than the equilibrium pressure which would be set at the reaction temperature in a gas-tight reactor filled with the suspension. When constructing such a hydrostatic pressure, it is also very easy to maintain a constant pressure. It only has to be ensured that a liquid inlet or outlet is possible on the surface of the water column. This can, for example. Through openings or by using non-sealing pumps such as.
Kreiselpumpen ermöglicht werden. Bei einem Temperaturanstieg im Reaktionsvolumen kann dann Flüssigkeit an der Oberfläche austreten und der Druck im Reaktionsvolumen bleibt weitestgehend konstant . Die Wassersäule wird dabei als Druckpuffer genutzt. Die Reaktionsbedingungen werden dadurch vergleichmäßigt und die Feststoffausbeute kann zusätzlich gesteigert werden.Centrifugal pumps are possible. With a temperature increase in the reaction volume, liquid can then escape at the surface and the pressure in the reaction volume remains largely constant. The water column is used as a pressure buffer. The reaction conditions are thereby made uniform and the solids yield can be additionally increased.
Besondere Vorteile erbeben sich, wenn das Reaktionsvolumen mit einer größeren Breite als Höhe ausgebildet wird. Damit wird bei hydrostatischer Druckerzeugung ein annähernd gleich großer Druck an allen Stellen im Reaktionsvolumen erzeugt, wodurch die Vergleichmäßigung der Reaktionsbedingungen zusätzlich unterstützt wird. Diese Ausbildung des Reaktionsvolumens kann durch Einbringen in horizontal verlaufende Schächte, bspw. Kohleschächte, erreicht werden .Particular advantages arise when the reaction volume is formed with a greater width than height. Thus, in hydrostatic pressure generation, an approximately equal pressure is generated at all points in the reaction volume, whereby the homogenization of the reaction conditions is additionally supported. This formation of the reaction volume can be achieved by introducing into horizontally extending shafts, for example. Kohleschächte.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung zur Erzeugung des hydrostatischen Druckes wird zwischen dem oberen Füllstand und dem ReaktionsVolumen ein Höhenunterschied von wenigstens 100 m gewählt. Damit entsteht im Reaktionsvolumen aufgrund der darüber befindlichen Wassersäule ein Druck von mehr als 10*105 Pa (10 bar) . Größere Höhenunterschiede von 200 m oder mehr ermöglichen das Einstellen höherer Drücke, was je nach Anforderung sehr vorteilhaft sein kann.In a particularly advantageous embodiment for generating the hydrostatic pressure, a height difference of at least 100 m is selected between the upper fill level and the reaction volume. In order to In the reaction volume due to the water column located above it, a pressure of more than 10 * 10 5 Pa (10 bar). Larger differences in height of 200 m or more allow the setting of higher pressures, which can be very advantageous depending on the requirement.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung wird der Reaktor derart ausgeführt, dass Ein- und Austritts- öffnung auf der gleichen Höhe oder zumindest, im Vergleich zur gesamten Reaktorhöhe, auf ähnliche Höhe angeordnet sind, so dass eine hydrostatische Druckdifferenz zwischen den Öffnungen 10% des Druckes nicht übersteigt. Die zum Einsatz kommenden Pumpen müssen dann keine hohen Druckdifferenzen überwinden und können somit sehr einfach und kostengünstig ausgeführt werden.In a very advantageous embodiment, the reactor is designed such that the inlet and outlet openings are arranged at the same height or at least, compared to the total reactor height, at a similar height, so that a hydrostatic pressure difference between the openings does not account for 10% of the pressure exceeds. The pumps used then do not have to overcome high pressure differences and can thus be made very simple and inexpensive.
Neben der Nutzung eines starren Reaktors ist es auch möglich, die äußere Wandung des Reaktors flexibel auszugestalten, so dass sie sich an die Innenwand des Hohlraums anschmiegt oder zumindest nur als Sperre gegenüber dem umgebenden Gestein oder Wasser dient . Besonders vorteilhaft können hier auch dünne Bleche oder Metallfolien zum Einsatz kommen, die im Vergleich zu anderen Werkstoffen eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen.In addition to the use of a rigid reactor, it is also possible to design the outer wall of the reactor flexible, so that it conforms to the inner wall of the cavity or at least serves only as a barrier to the surrounding rock or water. It is also particularly advantageous to use thin sheets or metal foils which have a high temperature resistance in comparison to other materials.
Ein Vorteil des Druckaufbaus durch den hydrostatischen Druck im Reaktor liegt darin, dass der Druck mit zunehmender Tiefe gleichmäßig ansteigt. DieAn advantage of the pressure build-up by the hydrostatic pressure in the reactor is that the pressure increases evenly with increasing depth. The
Reaktion beginnt damit nicht abrupt und spontan sondern mit zunehmendem Druck und zunehmender Temperatur langsam und gleichmäßig. Durch Variation der Förder- geschwindigkeit und des relativen Bohrlochdurchmessers im Falle eines Bohrloches als Hohlraum kann die Verweilzeit gezielt eingestellt und damit an den jeweiligen Rohstoff angepasst werden. Es ist sinnvoll, über die Höhe und das Volumen des Reaktors in regelmäßigen Abständen Kühlwasseranschlüsse anzubringen, um bei Bedarf kaltes Wasser einzuleiten und die Reaktion zu verlangsamen. Hiermit kann eine Überhitzung der Reaktion vermieden und das dabei erwärmte Wasser energetisch genutzt werden. Dieser Vorgang kann auch über im Reaktor zu installierende Wärmetauscher erfolgen.Reaction does not start abruptly and spontaneously but slowly and evenly with increasing pressure and temperature. By varying the funding speed and the relative borehole diameter in the case of a borehole as a cavity, the residence time can be set specifically and thus adapted to the respective raw material. It is useful to have cooling water connections at regular intervals over the height and volume of the reactor to introduce cold water and slow down the reaction when needed. This can be used to avoid overheating of the reaction and to use the heated water energetically. This process can also be done via to be installed in the reactor heat exchanger.
Bei der Einstellung langer Verweilzeiten im Reaktor kann es vorkommen, dass die Durchströmungs- geschwindigkeit so weit gedrosselt werden muss, dass die Partikel in der Suspension schneller sedimentieren, als die Suspension strömt. Zur Vermeidung von Verstopfungen im Reaktor sind unterschiedliche Strategien sinnvoll.When setting long residence times in the reactor, it may happen that the flow rate must be throttled to such an extent that the particles in the suspension sediment faster than the suspension flows. To avoid blockages in the reactor different strategies are useful.
So können in den Reaktor Mischelemente, Strömungsbleche, statische Mischer, Rührwerke oder andere die Strömung beeinflussende Vorrichtungen eingebaut werden, um die Sedimentation von Feststoffen zu begrenzen. Besonders vorteilhaft können Gase wie z.B. Pressluft in den Reaktor eingebracht werden, die eine Durchmischung bewirken. Es ist auch möglich, eine Gasbildung durch partielles verdampfen lassen des in der Suspension befindlichen Wassers zu erreichen. Die Turbulenzen, die hierbei entstehen, führen zu einer guten Durchmischung und zur Vermeidung von Verstopfungen. Ein gezieltes Verdampfenlassen eines Teils des Wassers kann auch genutzt werden, um den Reaktor nach Beendigung der Reaktion zu entleeren. Hierfür kann durch Abpumpen von im Zu- oder Ablauf befindlichemThus, mixing elements, flow plates, static mixers, stirrers or other flow-influencing devices can be incorporated into the reactor to limit the sedimentation of solids. Particularly advantageous gases such as compressed air can be introduced into the reactor, which cause a mixing. It is also possible to achieve gas formation by partial evaporation of the water in the suspension. The turbulences that arise in this case lead to a good mixing and to avoid blockages. Targeted evaporation of some of the water can also be used to deflate the reactor after completion of the reaction. This can be done by pumping in the inlet or outlet befindlichem
Wasser eine Druckabsenkung im Reaktionsvolumen durchgeführt und ein spontanes Verdampfen im Reaktionsraum erreicht werden. Durch diesen Verdampfungsvorgang, der ähnlich wie ein Siedeverzug verläuft, wird in sehr kurzer Zeit soviel Masse aus dem Reaktionsraum befördert, dass aufgrund der dabei auftretenden sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten sedimentierte oder abgelagerte Feststoffe und Beläge an die Oberfläche gefördert werden.Water is carried out a pressure reduction in the reaction volume and a spontaneous evaporation in the reaction chamber can be achieved. By this evaporation process, which is similar to a boiling delay, so much mass is transported out of the reaction space in a very short time that due to the very high flow velocities occurring sedimented or deposited solids and deposits are conveyed to the surface.
Zur Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit im Reaktor können auch die Strömungsquerschnitte soweit reduziert werden, dass eine kritische Strömungsgeschwindigkeit überschritten wird. Es ist auch möglich, in Stollen unter Tage eine Kaskade anTo increase the flow velocity in the reactor, the flow cross sections can be reduced so far that a critical flow velocity is exceeded. It is also possible to run a cascade in galleries underground
Rührreaktoren zu errichten und von Erdreich, Gestein oder Wasser zu umgeben, die in Reihe durchströmt werden. In dieser Form sind sie sehr kostengünstig in der Herstellung und ermöglichen eine schnelle Durchströmung.Rührreaktoren to build and surrounded by soil, rock or water, which are flowed through in series. In this form, they are very inexpensive to manufacture and allow a quick flow.
Eine Verstopfung des Reaktors kann auch vermieden werden, wenn die Strömungsrichtung in regelmäßigen Abständen umgedreht und damit eine Art von Pulsation erreicht wird, der eine konstante Strömungsgeschwindigkeit überlagert ist. Diese Pulsation führt im Reaktor zu Turbulenzen und verhindert somit Ablagerungen sehr effizient. Zur weitgehenden Vermeidung von Störstoffen im Reaktionsraum ist es von Vorteil, die Suspension vor der Reaktion mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung von Störstoffen wie Steinen, Metall, Glas oder ähnlichen anorganischen Materialien zu befreien. Dies kann eine Schwerkraftabscheidung wie ein Vorklärbecken in Kläranlagen sein oder ein Hydrozyklon oder ein anderes nach Stand der Technik bekanntes Verfahren zur Abtrennung von Feststoffen aus Suspensionen.Clogging of the reactor can also be avoided if the flow direction is reversed at regular intervals and thus a type of pulsation is achieved, which is superimposed on a constant flow velocity. This pulsation leads to turbulence in the reactor and thus prevents deposits very efficiently. To avoid impurities in the reaction space as far as possible, it is advantageous to free the suspension of impurities such as stones, metal, glass or similar inorganic materials before the reaction with the aid of a mechanical device. This may be gravitational separation, such as a clarifier in sewage treatment plants, or a hydrocyclone or other method known in the art for separating solids from suspensions.
Weiterhin können Partikel, die zur Sedimentation neigen, gezielt aus dem Reaktor abgeführt werden. Hierfür können in den Reaktor Vorrichtungen eingebracht werden, die diskontinuierlich oder kontinuierlich sedimentierte Feststoffe aus dem Reaktor mit Aggregaten nach Stand der Technik (z.B. Förderbändern, Räumer, Ketten, Schnecken, Pumpen) fördern. Diese Feststoffe können außerhalb des Reaktors fraktioniert werden, so dass grobe organische Materialen nach einer entsprechenden Zerkleinerung in den Reaktionsraum zurückgeführt werden können.Furthermore, particles that are prone to sedimentation can be selectively removed from the reactor. To this end, devices may be introduced into the reactor which will batch or continuously convey sedimented solids from the reactor with prior art aggregates (e.g., conveyors, scrapers, chains, screws, pumps). These solids can be fractionated outside the reactor, so that coarse organic materials can be returned to the reaction space after a corresponding comminution.
Es kann gewünscht sein, Gase oder Dämpfe, die aufgrund der Druckabsenkung im aufwärts durchströmten Teil des Reaktors entstehen, aus dem Reaktor abzuführen. Dies kann durch eine Perforation der Reaktorwandung, zum Beispiel im aufwärts durchströmten Teil des Reaktors erzielt werden. Diese Löcher können zur Umgebung oder zum abwärts durchströmten Teil des Reaktors vorgesehen werden. Damit wird ein Druckausgleich sichergestellt. Als Ableitung des Gases können auch zerklüftete oder karstige Gesteinsformationen genutzt werden.It may be desirable to remove gases or vapors which arise due to the pressure drop in the upward flowed through part of the reactor from the reactor. This can be achieved by a perforation of the reactor wall, for example in the upstream part of the reactor. These holes may be provided to the environment or to the downstream portion of the reactor. This ensures pressure equalization. As a derivative of the gas You can also use rugged or karst rock formations.
Soll ein rasches Austreten der Gase oder von Flüssigkeitsvolumen bedingt durch Temperatur-Dichte- Unterschiede (Geysir-Effekt) vermieden werden, sind entsprechende Druckventile oder Rückschlagklappen anzubringen, die bei Überschreitung eines definierten Druckes oder einer definierten Strömungsgeschwindigkeit schließen, dadurch kurzfristig eine Druckerhöhung bewirken und den Vorgang des Ausgasens beenden. Hiermit können gezielt Konvektionsströmungen unterbunden werden .If a rapid escape of the gases or liquid volume due to temperature-density differences (geyser effect) are avoided, appropriate pressure valves or check valves are attached, close when exceeding a defined pressure or a defined flow rate, thereby causing a pressure increase in the short term and the End the degassing process. This targeted convection currents can be prevented.
In einer besonders einfachen Ausführung besteht der Reaktor nur aus einem in tieferen Gesteinsschichten vorhandenen Hohlraum, wobei der Zulauf des Reaktionsgemisches durch eine Zulaufleitung bis in eine für die Reaktion ausreichende Tiefe gefördert wird. Besonders vorteilhaft gestaltet sich z.B. die Nutzung alter Förderschächte aus dem Bergbau, stillgelegter Tunnel oder anderer unterirdischer Bauwerke. Hier kann die bestehende Auskleidung der Schächte oder Tunnel als „Reaktorwandung" und das gesamte Volumen des Schachtes als Reaktor genutzt werden. Neben einer Auskleidung des Schachtes mit wasserdichten Materialien kann eineIn a particularly simple embodiment, the reactor consists only of a cavity present in deeper rock layers, wherein the feed of the reaction mixture is conveyed through a feed line to a depth sufficient for the reaction. Particularly advantageous is e.g. the use of old production shafts from mining, shut down tunnels or other underground structures. Here, the existing lining of the shafts or tunnels can be used as a "reactor wall" and the entire volume of the shaft as a reactor In addition to a lining of the shaft with watertight materials, a
Abdichtung des Systems durch Zusätze im Wasser erreicht werden oder das System dichtet sich durch die Reaktionsprodukte wie Kohlepartikel gegenüber dem umgebenden Gestein selbst ab.Sealing of the system can be achieved by additives in the water or the system seals itself by the reaction products such as coal particles against the surrounding rock itself.
Bei der Nutzung von Bohrungen im Erdreich muss ein Zu- oder Ablauf in den unteren Bereich des Reaktors vorgesehen werden. Durch einen Zu- oder Ablaufkanal in den unteren Bereich des Schachtes oder der Bohrung, dessen Querschnittsfläche und Fördermenge variabel eingestellt werden können, wird über den gesamten verbleibenden Schachtquerschnitt eine Aufwärtsströmung eingestellt. Das Flächenverhältnis von aufwärts durchströmtem Reaktorraum und aufwärts durchströmtem Reaktorteil kann je nach Anforderung von 0,01% bis zu 99,99% betragen. Wärmetauscher zum Kühlen oder Heizen, die im Schacht angeordnet werden können, dienen der Temperatur- und Reaktionsführung und damit derWhen using holes in the ground, an inlet or outlet must be provided in the lower part of the reactor. Through an inlet or outlet channel in the lower portion of the shaft or hole, the cross-sectional area and flow rate can be variably adjusted, an upward flow is set over the entire remaining shaft cross-section. The area ratio of upflowed reactor space and upflowed reactor part can be up to 99.99% depending on the requirement of 0.01%. Heat exchangers for cooling or heating, which can be arranged in the shaft, are used for temperature and reaction control and thus the
Sicherung der Produktqualität sowie der Energieabführung und damit der energetischen Nutzung außerhalb des Reaktors .Ensuring the product quality as well as the energy dissipation and thus the energetic use outside the reactor.
Es kann auch gewünscht sein, den Produktstrom ähnlich der Geothermienutzung an einem anderen Ort aus der Tiefe wieder nach Oben zu fördern, als an der Stelle des Rohstoffeinbringens . So können beispielsweise horizontal verlaufende Kohlenschächte, die früher als Untertage-Abbau-Bereiche genutzt wurden und heute stillgelegt sind, als Reaktionsvolumina genutzt werden. Damit kann über außen gelegenen Bereichen die Rohstoff- Suspension in Schächte eingeleitet werden und alle Inputströme aus dem Förderschacht zentral wieder aus der Tiefe heraus gefördert werden, oder auch anders herum. Somit können bestehende Schachtanlagen nahezu vollständig als „Reaktoren" zur Herstellung von biogenen Brennstoffen genutzt werden. Viele zehntausend Kubikmeter Volumen stehen damit als Reaktor zur Verfügung, so dass trotz der langen Verweilzeit der Reaktion sehr große Durchsätze erzielt werden können. Es ist auch möglich, andere unterirdische mit Gas oder Wasser gefüllte Hohlräume, Kavernen, Höhlen, karstige und porösen Gesteinsformationen oder mit Wasser gefüllte Stollen als Reaktoren zu nutzen. Der Fachmann aus dem Bereich der Geologie wird in der Lage sein, geeignete Hohlräume zu identifizieren, die mit Wasser eingestaut und als Reaktoren für das beschriebene Verfahren genutzt werden können.It may also be desirable to recycle the product stream from depth deeper into a location similar to geothermal energy than at the point of raw material injection. For example, horizontally extending coal shafts, formerly used as underground mining areas and now shut down, can be used as reaction volumes. In this way, the raw material suspension can be introduced into shafts via outlying areas, and all input streams from the production well can be conveyed centrally from deep within, or vice versa. Thus, existing wells can be used almost completely as "reactors" for the production of biogenic fuels, thus providing tens of thousands of cubic meters of volume as a reactor so that very high throughputs can be achieved despite the long residence time of the reaction underground caverns filled with gas or water, caverns, caves, karstic and use porous rock formations or tunnels filled with water as reactors. One skilled in the geology field will be able to identify suitable cavities that can be stowed with water and used as reactors for the described process.
Besonders vorteilhaft wird hierbei immer die Nutzung von Erdwärme in größeren Tiefen zur Reaktions- Unterstützung sein. Es kann ebenfalls sinnvoll sein, eine Mitnutzung von Restvorkommen an Kohle oder Öl zu betreiben. Hier ist es möglich, parallel zur Reaktion der Biomasse aus bereits zur Förderung unwirtschaftlich gewordenen Ölvorkommen die restlichen Reserven sozu- sagen als Nebenprodukt heraus zu fördern. So kann das Volumen der Lagerstätte als Reaktor genutzt und verbliebene Restvorkommen an fossilen Rohstoffen sinnvoll mit verwertet werden. Durch die hohe Reaktionstemperatur werden Öle in den Gesteinen dünnflüssig, so dass die Restvorkommen sehr effizient aus der Tiefe gefördert werden können.Particularly advantageous here will always be the use of geothermal energy at greater depths for reaction support. It may also be useful to co-use residual deposits of coal or oil. Here, it is possible, parallel to the reaction of the biomass from oil deposits that have already become uneconomical for production, to promote the remaining reserves so to speak as a by-product. For example, the volume of the deposit can be used as a reactor and any remaining deposits of fossil raw materials can be meaningfully recycled. Due to the high reaction temperature, oils in the rocks become fluid, so that the residual deposits can be extracted from the deep very efficiently.
Es ist vorteilhaft, das zur Suspendierung genutzte Wasser zur vollständigen Rohstoffnutzung ganz oder teilweise im Kreislauf zu fahren. Hierfür ist es erforderlich, das gewünschte Reaktionsprodukt, wie z.B. Kohlepartikel aus der Suspension abzutrennen und verbleibende Substrate, nicht abreagierte Rohstoffe und Reaktionsprodukte wie z.B. Phenole oder andere Sekundärprodukte zusammen mit neuem zerkleinertem biogenen Rohstoff wieder in den Reaktionsraum zu fördern. Dem Fachmann ist bekannt, dass eine Aufkonzentrierung von Mineralien oder nicht umsetzbaren Anteilen zu vermeiden ist . Das kann durch einen entsprechend dimensionierten Bleed-Strom erfolgen.It is advantageous for the water used for the suspension to be completely or partially recirculated for the complete utilization of raw materials. For this purpose, it is necessary to separate the desired reaction product, such as coal particles from the suspension and remaining substrates, unreacted raw materials and reaction products such as phenols or other secondary products to promote together with new crushed biogenic raw material back into the reaction space. The skilled person is aware that a concentration of minerals or unreactable Shares must be avoided. This can be done by a correspondingly dimensioned bleed current.
Zur Abtrennung der Kohlepartikel bieten sich ebenfalls verfahrenstechnische Lösungsansätze an wie Nachklärbecken, Dekanter, Filterpressen oder Brikettieranlagen.For the separation of the carbon particles also provide procedural approaches such as secondary clarifier, decanters, filter presses or Brikettieranlagen.
Eine weitere Möglichkeit zur Umsetzung dieser Erfindung ist im submarinen Bereich zu sehen. Hier können beispielsweise einfache dünnwandige Rohrleitungen als Reaktoren in große Tiefen ins Meer geleitet werden. Es kann aber auch von Vorteil sein, das Reaktionsgemisch direkt in tiefe Schichten von Seen oder in tiefe Meeresschichten einzuleiten und somit ganze Bereiche des Meeres wie z.B. Küstengebiete mit großer Meerestiefe als Reaktoren zu nutzen. Hierbei kann besonders vorteilhaft auf Bereiche im Ozean zurückgegriffen werden, die aufgrund vulkanischer Aktivität besonders heiß sind, wie z.B. einige Regionen im Pazifik. Die Aufwärtsströmung von heißen submarinen Quellen kann dann zur Förderung der Reaktionsprodukte wie z.B. der Kohle genutzt werden.Another way to implement this invention is seen in the submarine region. Here, for example, simple thin-walled pipelines can be routed as reactors into great depths into the sea. However, it may also be advantageous to introduce the reaction mixture directly into deep layers of lakes or into deep ocean layers and thus whole areas of the sea, such as e.g. Coastal areas with great depth of sea to be used as reactors. In this case it is particularly advantageous to resort to areas in the ocean which are particularly hot due to volcanic activity, such as e.g. some regions in the Pacific. The upward flow of hot submarine sources may then be used to promote the reaction products, e.g. the coal be used.
Das beschriebene Verfahren bringt zusätzliche Vorteile, wenn es in Kombination mit geothermischer Energie betrieben wird. Somit wird dem Reaktionsgemisch in wärmeren Bereichen in der Erde Energie zugefügt, das Reaktionsgemisch zusätzlich erwärmt und die Reaktion damit beschleunigt. Die zusätzlich freiwerdende Energie kann dann nach Stand der Technik durch Abführen der Wärme oder durch Transformation in elektrischen Strom oder Wasserstoff genutzt werden. Die kohlenstoffreichen Reaktionsprodukte liegen in vielen Fällen als feindispers vereilte Nanokügelchen vor. Dieser Umstand kann zur Förderung der festen Energieträger sehr vorteilhaft genutzt werden. So wird nach Austreten der Energieträger-Suspension aus dem Reaktor zunächst eine mechanische Trennung der Feststoffe von der Flüssigkeit zum Beispiel durch zentrifugale Trennverfahren erfolgen. Die flüssige Fraktion, welche die Aminosäuren und Mineralien aus dem organischen Rohstoff enthält, kann direkt oder nach einer Aufkonzentrierung durch teilweises Abtrennen des Wassers als Dünger genutzt werden. Die nanopartikulären Feststoffe, die überwiegend aus Kohlenstoff bestehen, werden erneut mit Wasser vermischt und auf einen Trockensubstanzgehalt von 40 bis 60 Mass.-% eingestellt. Damit kann in der Suspension eine Energiedichte von bis zu 18 Gigajoule pro Tonne eingestellt werden, was in etwa der Hälfte der Energiedichte von Rohöl entspricht. Ein Transport der nanopartikulärenThe described method brings additional advantages when operated in combination with geothermal energy. Thus, energy is added to the reaction mixture in warmer areas in the soil, the reaction mixture is additionally heated and the reaction is thus accelerated. The additional energy released can then be used in the prior art by dissipating the heat or by transformation into electricity or hydrogen. The carbon-rich reaction products are in many cases present as finely dispersed nanospheres. This fact can be used to promote solid energy very beneficial. Thus, after the exit of the energy carrier suspension from the reactor, first a mechanical separation of the solids from the liquid takes place, for example by centrifugal separation processes. The liquid fraction containing the amino acids and minerals from the organic raw material can be used as fertilizer directly or after concentration by partial separation of the water. The nanoparticulate solids, which consist predominantly of carbon, are again mixed with water and adjusted to a dry matter content of 40 to 60% by mass. Thus, an energy density of up to 18 gigajoules per tonne can be set in the suspension, which corresponds to about half the energy density of crude oil. A transport of the nanoparticulate
Energieträger über lange Wegstrecken ist in dieser Form durch nach Stand der Technik bekannte Pipelines überaus wirtschaftlich.Energy carriers over long distances are extremely economical in this form by pipelines known in the art.
Bei der Vermeidung von Sedimentationseffekten und für die Abtrennung der Kohle von der flüssigen Phase spielt die Viskosität eine entscheidende Rolle. Zur Vermeidung einer zu schnellen Sedimentation der biogenen Rohstoffe sollte die Viskosität der Suspension im Zulauf des Reaktors mindestens 20 mPas betragenViscosity plays a crucial role in avoiding sedimentation effects and separating the coal from the liquid phase. To avoid too rapid sedimentation of the biogenic raw materials, the viscosity of the suspension in the feed of the reactor should be at least 20 mPas
(gemessen im Rotationsviskosimeter bei einer Scherrate von 10/s) . Im Ablauf des Reaktors sollte zur verbes- serten Abtrennung der partikulären Feststoffe die flüssige Phase Werte von 5 mPas nicht überschreiten.(measured in the rotational viscometer at a shear rate of 10 / s). In the course of the reactor, for improved separation of the particulate solids, the liquid phase should not exceed values of 5 mPas.
Zur Einstellung der Viskosität im Zulauf bieten sich dem Fachmann verschiedene Methoden an. So kann über die gezielte Verwendung von unterschiedlichen Biomassen, von Biomasse mit definierten Kohlenhydraten (Zellulose, Stärke, Oligo- oder Monosaccharide) , deren Zerkleinerungsgrad, Konzentration und über die Quelldauer der Kohlenhydrate eine erhöhte Viskosität eingestellt werden. Dabei sind die beschriebenen Parameter und die Rohstoffauswahl derart zu variieren, dass nach der Reaktion die flüssige Phase durch den Abbau und die Umsetzung der Biomasse eine entsprechend niedrige Viskosität aufweist.To adjust the viscosity in the feed, various methods are available to the person skilled in the art. Thus, the targeted use of different biomasses, biomass with defined carbohydrates (cellulose, starch, oligosaccharides or monosaccharides), their degree of comminution, concentration and over the duration of the carbohydrates increased viscosity can be adjusted. The parameters described and the choice of raw materials are to be varied in such a way that after the reaction the liquid phase has a correspondingly low viscosity due to the degradation and the conversion of the biomass.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Förderung der Biomasse oder der Reaktionssuspension in die Tiefe in Gefäßen oder Gebinden wie Containern, Fässern, Körben, Säcken, zylindrischen oder quaderförmigen Gefäßen aus unterschiedlichen Werkstoffen oder in ähnlichen räumlich definierten Volumina im Inneren des unter der Erde angebrachten Reaktors .In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the promotion of biomass or reaction suspension takes place in depth in vessels or containers such as containers, barrels, baskets, sacks, cylindrical or cuboid vessels made of different materials or in similar spatially defined volumes in the interior of the under Earth attached reactor.
Durch die hohe Wärmekapazität des Bodens und der Flüssigkeit im Reaktor werden die Gebinde oder die Gefäße im Reaktor ausreichend erwärmt, so dass die Reaktion im Innern der Gebinde ablaufen kann, ohne die Biomasse aus den Gebinden auszutragen.Due to the high heat capacity of the soil and the liquid in the reactor, the containers or vessels are sufficiently heated in the reactor, so that the reaction can take place inside the container, without discharging the biomass from the containers.
Durch diese Maßnahme kann sehr effizient vermieden werden, dass Partikel aus der Suspension auf den Boden des Reaktors sedimentieren und nicht mehr aus diesem ausgetragen werden können. In der beschriebenen Ausführung der geschlossenen oder halb offenen Gebinde ist es auch möglich, die Partikelgröße variabel einzustellen oder auf eine feine Zerkleinerung vor der Durchführung der Reaktion zu verzichten. Damit können größere Partikel wie z.B. Holzstücke in den Reaktor gefördert werden. Damit können Kohlepartikel mit mehreren cm Kantenlänge erhalten werden, was die Abtrennung des Wassers von der Kohle nach Abschluss der Reaktion erleichtern kann.By this measure can be avoided very efficiently that particles from the suspension on the ground sediment the reactor and can no longer be discharged from this. In the described embodiment of the closed or semi-open container, it is also possible to adjust the particle size variable or to dispense with a fine comminution before carrying out the reaction. Thus, larger particles such as pieces of wood can be conveyed into the reactor. This allows carbon particles with several cm edge length to be obtained, which can facilitate the separation of the water from the coal after completion of the reaction.
Wichtig ist bei der Ausführung in Gebinden, dass für einen Druckausgleich mit dem umgebenden Wasser Sorge getragen wird. So muss durch Öffnungen oderWhen carrying out the process in containers, it is important to ensure pressure equalization with the surrounding water. So must through openings or
Ventile in den Gebinden sichergestellt werden, dass je nach Tiefe der im Reaktor befindliche Druck sich auf das Innere des Gebindes übertragen kann.Ensure that valves in the containers that depending on the depth of the pressure in the reactor can be transferred to the interior of the container.
Es kann auch von Vorteil sein, einen Flüssigkeitsaustausch aus dem Gebinde mit der umgebenden Flüssigkeit durch geeignete Öffnungen in den Gebinden zuzulassen. Dabei wird der Wärmetransport ins Innere des Gebindes verbessert und auch den Übergang von flüssigen Reaktionsprodukten und nicht suspendierenden feinsten Partikeln aus den Gebinden in die umgebende Flüssigkeit und damit auch in andere Gebinde ermöglicht. Somit gelingt trotz einer sehr effizienten Vermeidung von Sedimentationseffekten und Verstopfungen im Reaktor ein Austausch der Temperatur, vonIt may also be advantageous to allow a liquid exchange from the container with the surrounding liquid through suitable openings in the containers. In this case, the heat transfer is improved into the interior of the container and also allows the transition of liquid reaction products and non-suspended fine particles from the containers in the surrounding liquid and thus in other containers. Thus, despite a very efficient avoidance of sedimentation effects and blockages in the reactor, an exchange of the temperature, of
Flüssigkeit und von Reaktionsprodukten zwischen den Gebinden, was zu einer schnelleren Reaktion und zu einer Vergleichmäßigung der ProduktZusammensetzung führt .Liquid and reaction products between the containers, resulting in a faster response and to a homogenization of the product composition leads.
Die Förderung der Gebinde durch den Reaktionsraum kann ähnlich der Vorgehensweise bei Turmerhitzern in der Lebensmittelindustrie, die zur Erhitzung von Konservendosen eingesetzt werden, in einer Verdrängungsförderung erfolgen, d.h. jedes Gebinde schiebt das nächste Gebinde im rohrförmigen Reaktionsraum weiter. Es ist auch möglich, Fördervorrichtungen für Gebinde nach Stand der Technik einzusetzen, wie z.B. Kettenförderer, Schnecken, Seilzüge oder andere Vorrichtungen zum Transport von Gefäßen durch Rohrleitungen. Der Transport der Gebinde durch den Schacht oder Reaktions- räum kann auch ähnlich wie bei anderen Transport-The promotion of the containers through the reaction space can be carried out in a displacement promotion, similar to the procedure in the case of tower heaters in the food industry, which are used for heating cans. Each container pushes the next container in the tubular reaction space on. It is also possible to use conveyors for containers of the prior art, such as e.g. Chain conveyors, screws, cables or other devices for transporting vessels through pipelines. The transport of the containers through the shaft or reaction cavities can also be carried out in a similar way to other transport
Vorrichtungen im Bergbau durch Seilzüge oder in einer Art „Unterwasser-Eisenbahn" auf Schienen erfolgen.Mining devices by cables or in a kind of "underwater railroad" done on rails.
Es ist möglich, räumlich definierte Reaktions- volumnia dadurch zu erzeugen, dass einzelneIt is possible to generate spatially defined reaction volumes by
Reaktorbereiche durch Schleusen, Bleche oder andere Einbauten abgetrennt werden oder dass sog. Molche, die eine weitgehende Abdichtung des Reaktorquerschnittes bewirken und mit der Strömung mitbewegt werden als Trennwandungen zwischen einzelnen Reaktorabschnitten zum Einsatz kommen. Durch diese Mehrkammerausführung des Reaktionsraumes können in jedem Segment auch unterschiedliche Prozessbedingungen wie z.B. Temperaturen eingestellt werden, was eine Prozesssteuerung erleichtert. Kurze Beschreibung der ZeichnungenReactor areas are separated by locks, sheets or other internals or that so-called. Pigging, which cause a substantial sealing of the reactor cross-section and are moved with the flow are used as partitions between individual reactor sections. Due to this multi-chamber design of the reaction space, different process conditions such as temperatures can be set in each segment, which facilitates process control. Brief description of the drawings
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The proposed method will be briefly explained again with reference to an embodiment in conjunction with the drawings. Hereby show:
Fig. 1 ein Beispiel für die Anordnung des Reaktionsvolumens unterhalb der Erdoberfläche; und1 shows an example of the arrangement of the reaction volume below the earth's surface; and
Fig. 2 eine schematisierte Darstellung des Prozessablaufs bei dem vorgeschlagenenFig. 2 is a schematic representation of the process flow in the proposed
Verfahren.Method.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Figur 1 zeigt schematisiert ein Beispiel für eine Ausgestaltung eines Reaktors zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens, der in diesem Beispiel in einem Schacht 1 unterhalb der Erdoberfläche eingebracht ist. Der Schacht 1 liegt in einer Tiefe von 200 m. Der Reaktor 2 weist einen Zulauf 3 zum Reaktionsvolumen auf, das in diesem Fall das gesamte Volumen des horizontal angeordneten Reaktors einnimmt. Die aufgeschlämmte Biomasse wird über diesen Zulauf 3 in das Reaktionsvolumen gepumpt. Die Reaktionsprodukte werden über den Ablauf 4 wieder nach oben abgepumpt . Die Wandung des Reaktors 2 kann relativ dünn ausgeführt werden, da der in diesem Falle hydrostatisch erzeugte Druck durch das umliegende Erdreich 5 aufgenommen wird. Der Reaktor 2 ist dabei in einem Umkreis von Erdreich 5 umgeben, der mindestens dem vierfachen Durchmesser D des Reaktionsvolumens entspricht. In diesem Umkreis sind keine größeren Hohlräume vorhanden, so dass die Gesamtmasse in einem durch das Material in diesem Umkreis eingenommenen Volumen mindestens der achtfachen Masse des Reaktionsgemisches im Reaktionsvolumen entspricht. Die aufgeschlämmte Biomasse wird zunächst mit einer Temperatur von ca. 800C in den Reaktor 2 eingebracht . Durch die zu Beginn des Prozesses sehr heftige exotherme Reaktion im Reaktionsvolumen heizt sich die Suspension bis auf über 2000C auf. Dabei führt die Wärmeaufnahme und -speicherung durch die große Masse des umgebenden Materials dazu, dass keine schnelle Überhitzung stattfindet. In einem späteren Verlauf der Reaktion, bei dem wesentlich weniger Wärme entsteht, wird die Reaktionstemperatur durch die von dem umgebenden Material wieder abgegebene Wärme erreicht, so dass die Reaktion ohne externe Zufuhr von Energie über einen längeren Zeitraum aufrecht erhalten werden kann.Figure 1 shows schematically an example of an embodiment of a reactor for carrying out the present method, which is introduced in this example in a shaft 1 below the earth's surface. The shaft 1 is located at a depth of 200 m. The reactor 2 has an inlet 3 to the reaction volume, which in this case occupies the entire volume of the horizontally arranged reactor. The slurried biomass is pumped via this feed 3 in the reaction volume. The reaction products are pumped back up via the outlet 4. The wall of the reactor 2 can be made relatively thin, since the hydrostatically generated in this case pressure is absorbed by the surrounding soil 5. The reactor 2 is surrounded in a radius of soil 5, which corresponds to at least four times the diameter D of the reaction volume. There are no major cavities in this perimeter, so that the total mass in a volume occupied by the material in that perimeter is at least eightfold Mass of the reaction mixture in the reaction volume corresponds. The slurried biomass is first introduced into the reactor 2 at a temperature of about 80 ° C. Due to the very violent exothermic reaction in the reaction volume at the beginning of the process, the suspension heats up to over 200 0 C. The heat absorption and storage due to the large mass of the surrounding material means that there is no rapid overheating. In a later stage of the reaction, in which much less heat is generated, the reaction temperature is achieved by the heat given off by the surrounding material, so that the reaction can be maintained without external supply of energy over a longer period of time.
Figur 2 zeigt schematisch den Prozessablauf nochmals in einem Ablaufdiagramm. Die von einem Bauernhof angelieferte Biomasse 6, die in trockenem oder feuchtem Zustand vorliegen kann, wird zunächst in einem Zer- kleinerungs- und Suspensionsschritt 7 zerkleinert und in Wasser aufgeschlämmt . Als Zusatzstoffe können Säuren, organische oder anorganische Katalysatoren genutzt werden. Nach einer Erhitzung der dadurch erhaltenen Suspension auf ca. 800C wird diese mit einer geeigneten Pumpe in den Tiefschachtreaktor 8, wie er bspw. in Figur 1 schematisch dargestellt ist, gefördert . Im Reaktionsvolumen dieses Reaktors erfolgt die exotherme Reaktion, wodurch im ersten Zeitabschnitt des Prozesses eine heiße Suspension von etwa 200 0C aus dem Reaktor ausgetragen wird, die Wasser und Kohlepartikel enthält. Die Wärme dieser Suspension wird in einem Konversionsschritt 9 genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. In einem Separationsschritt 10 erfolgt die Trennung von Wasser und Kohle, so dass schließlich reine Kohle 11 für die Energieerzeugung zur Verfügung steht. Die Kohle kann beispielsweise als Rohstoff für flüssige kohlenwasserstoffreiche Kraftstoffe eingesetzt werden. Bei demFigure 2 shows schematically the process flow again in a flow chart. The delivered from a farm biomass 6, which may be in a dry or wet state, is first crushed in a crushing and suspension step 7 and slurried in water. As additives, acids, organic or inorganic catalysts can be used. After heating the resulting suspension to about 80 0 C, this is with a suitable pump in the deep shaft reactor 8, as shown schematically, for example, in Figure 1, promoted. In the reaction volume of this reactor, the exothermic reaction takes place, whereby in the first period of the process, a hot suspension of about 200 0 C is discharged from the reactor containing water and carbon particles. The heat of this suspension is used in a conversion step 9 to electrical To generate energy. In a separation step 10, the separation of water and coal, so that finally pure coal 11 is available for energy production. The coal can be used, for example, as a raw material for liquid hydrocarbon-rich fuels. In which
Separationsschritt 10 wird eine Fraktion aus Wasser mit darin gelösten Mineralien und Aminosäuren erhalten. Die Mineralien und Aminosäuren werden im Schritt 12 abgetrennt und als Dünger 13 wieder zum Acker zurück transportiert. Das Wasser wird im Zerkleinerungs- und Suspensionsschritt 7 wieder verwendet. Separation step 10, a fraction of water with dissolved minerals and amino acids is obtained. The minerals and amino acids are separated in step 12 and transported as fertilizer 13 back to the field. The water is reused in the crushing and suspension step 7.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
I Schacht 2 ReaktorI shaft 2 reactor
3 Zulauf3 inlet
4 Ablauf4 expiration
5 umgebendes Erdreich5 surrounding soil
6 Biomasse 7 Zerkleinerungs- und Suspensionsschritt6 biomass 7 crushing and suspension step
8 Reaktor8 reactor
9 Konversion in elektrische Energie9 conversion into electrical energy
10 Separationsschritt10 separation step
II Kohle 12 Trennung der Mineralien und Aminosäuren vom WasserII Coal 12 Separation of minerals and amino acids from water
13 Dünger 13 fertilizer
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