Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Karbonisierungsbehälter umfassend ein, von einem Karbonisierungsbehältermantel umschlossenes Karbonisierungsbehälterhohlvolumen zur hydrothermalen Karbonisierung eines hochviskosen und/oder feststoffbeladenen Prozessmediums, wobei der

Karbonisierungsbehältermantel in einem Fluid, vom Prozessmedium abgeschlossen, lagerbar ist und einen Reaktor, umfassend einen Karbonisierungsbehälter mit einem Wärmeübertragungskanal.

Stand der Technik

Unter hydrothermalen Karbonisierung (HTC) oder auch nasser Verkohlung versteht man die Veredelung von nasser oder feuchter Biomasse in wässriger meist saurer Umgebung bei erhöhten Temperaturen um 200°C und erhöhten Drücken von mehr als 10 bar in einem druckdichten Karbonisierungsbehälter. Um die hydrothermale Karbonisierung zu starten, muss das aus Biomasse, Wasser und katalytisch wirkenden Stoffen zu Beginn einmalig auf die erhöhte Temperatur erhitzt werden. Anschliessend reagieren die Edukte zu Zwischenprodukten und letztlich zu Karbonisierungsprodukten, welche in Form einer Biokohle- oder Braunkohlesuspension vorliegen, die neben Kohle auch Prozesswasser und Restsubstanzen enthält. Mittels hydrothermaler Karbonisierung wird der natürlich Prozess der Kohlebildung innerhalb von einigen Stunden technisch nachgebildet und vor allem die hohe Kohlenstoffeffizienz zeichnet die HTC aus. In der vorliegenden Anmeldung wird als vergärbare Biomasse und damit als Teil der Edukte, die durch die hydrothermale Karbonisierung zu Kohle verarbeitet werden kann, bevorzugt eine Mischung aus Klärschlamm und Grünschnittabfällen verstanden. In dem beschriebenen Reaktor können aber auch andere biogene Reststoffe, insbesondere nachwachsende Rohstoffe, wie Holzhackschnitzel, Grünschnitt aus der Landschaftspflege, Pflanzen, Stroh, Silage, und organische Reststoffe aus der Land- und Forstwirtschaft sowie der Nahrungsmittelindustrie und Entsorgungswirtschaft, sowie auch Torf, Rohbraunkohle, Papierschlämme, zu Massen mit hohem Anteil von Kohle veredelt werden.

Da die beschriebene Reaktion eines hochviskosen und/oder feststoffbeladenen Prozessmediums einer mit Biomasse versetzten Flüssigkeit und damit eines Fest-Flüssig-Gemisches in Reaktionszeiten von einigen Stunden unter hohem Druck und erhöhten Temperaturen abläuft, sind speziell angepasste Reaktoren und Rühr- und Fördereinrichtungen nötig. Den Karbonisierungsbehälter in einem Aussenbehälter anzuordnen, wobei der Aussenbehälter mit einem Thermofluid, insbesondere Thermoöl gefüllt ist, ist beispielsweise aus der DE102010020712 bekannt. Durch den Kontakt mit dem Thermoöl kann das Prozessmedium innerhalb des Karbonisierungsbehälters von Beginn der Reaktion auf die benötigten Temperaturen von etwa 200°C aufgeheizt werden.

Gemäss DE102010020712 ragt der Karbonisierungsbehälter zumindest teilweise in den Aussenbehälter und das darin befindliche Thermoöl hinein. Thermische Energie kann sobald die exotherme Reaktion der Verkohlung abläuft auf das Thermoöl übertragen werden und damit der Karbonisierungsbehälter vor einer Überhitzung geschützt werden. Um die Reaktionszeit zu verringern wird das Füllgut mit einem zweiten Wärmetauscher vorgewärmt. In der DE102010020712 dienen die Abgase eines Blockheizkraftwerkes als Wärmeenergiequelle für die Aufheizung des Thermoöls. Diese Energie liegt kostengünstig und im Grunde als Abfallprodukt durch die hohen Abgastemperaturen von etwa 400°C ausreichend zur Erwärmung des Thermoöls auf bis zu 250°C vor. Aufgrund des Überflusses kann auf eine möglichst effiziente Ausgestaltung der Wärmeübertragung verzichtet werden. Wenn die Möglichkeit der Wärmeübertragung optimiert wäre, könnten entsprechend noch mehr Verbraucher von der überschüssigen Wärme des Blockheizkraftwerkes profitieren .

In der WO2008095589 wird eine verbesserte Wärmeübertragung erreicht, indem ein Wärmetauscher in Form eines mit Thermoöl gefüllten Aussenbehälters vorgesehen ist, wobei ein im Aussenbehälter angeordneter Karbonisierungsbehälter in Form einer gebogenen Rohrleitung ausgestaltet ist. Je nach Ausführungsform kann der Karbonisierungsbehälter unterschiedlich viele etwa u-förmig gestaltete Biegungen aufweisen. Der mehrfach gebogene

Karbonisierungsbehälter in Rohrform ist vollständig von Thermoöl umgeben und durch den Aussenbehälter von einem Einlass zu einem Auslass geführt. Durch die vergrösserte Oberfläche des gebogenen und im Vergleich zum Aussenbehälter dünn ausgestalteten Karbonisierungsbehäiters, sind die Wände des

Karbonisierungsbehäiters grossflächig mit dem Thermoöl in Kontakt, sodass thermische Energie optimiert übertragbar ist.

Die mit diesen Mitteln erreichbaren Möglichkeiten des Wärmetausches vom Prozessmedium über die Wände des Karbonisierungsbehäiters auf das Thermoöl und zurück sind zwar verbessert, allerdings müssen spezielle gebogene Karbonsierungsbehälter angefertigt werden, deren Herstellung kostenintensiv und dessen Konstruktion und Betrieb kompliziert sind .

Aufgrund des Transports des Fest-Flüssig-Gemisches, umfassend Biomasse und eine wässrige Lösung, woraus eine feststoffbeladene Flüssigkeit resultiert, führt die Verwendung einer Rohrleitung mit geringem Querschnitt und die gebogene Gestaltung des Karbonisierungsbehälters zu einem verringerten Durchsatz. Die gebogene Rohrleitung ist entsprechend anfällig für Verstopfungen. Da die Temperatur des Prozessmediums im Verlauf der Reaktion zunimmt und in der Nähe des Auslasses ein Maximum erreicht, also einen Temperaturgradienten aufweist, wird der gebogen ausgestaltete Karbonisierungsbehälter unterschiedlich stark thermisch belastet, sodass der Karbonisierungsbehälter verschleissanfällig ist.

Bei Verwendung einer gebogenen Rohrleitung ist die Verwendung eines Rührwerks zum Vorschub und zur Verteilung des Prozessmediums in Richtung Auslass nur erschwert möglich . Derartige Rührwerke müssten in verschiedenen Abschnitten vereinzelt oder gebogen ausgestaltet sein, um einen Vorschub zu gewährleisten.

Es ist nicht auszuschliessen, dass es zu Verstopfungen kommt und aufgrund des stark aufgeheizten Prozessmediums punktuell starke thermische und mechanische Belastungen der Wand des Karbonisierungsbehälters auftreten.

Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt einen Karbonisierungsbehälter zu schaffen, der eine verbesserte Wärmeübertragung vom Prozessmedium über die Wände des Karbonisierungsbehälters auf das Fluid bei vereinfachter Herstellung erlaubt, wodurch eine energieeffiziente hydrothermale Karbonisierung erreichbar ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Vermeidung gebogener Rohrleitungen die unterschiedlich stark aufgeheizt werden, da die Ausbildung eines Temperaturgradienten verringert wird. Dadurch ist die Schaffung verschleissarmer Karbonisierungsbehälter möglich.

Diese Aufgabe löst ein Karbonisierungsbehälter, welcher einen Wärmeübertragungskanal aufweist, welcher den

Karbonisierungsbehälter quert und eine vollständige Zirkulation des Thermoöls um den Karbonisierungsbehälter und durch den Wärmeübertragungskanal erlaubt. Der Wärmeübertragungskanal führt das Thermofluid und ist ansonsten vom Innenraum des Karbonisierungsbehälters und damit vom Prozessmedium durch Wände getrennt.

Zur Lösung der Aufgabe ist der Karbonisierungsbehälter beispielsweise mit einem konzentrisch zur Längsachse verlaufenden Wärmeübertragungskanal ausgestattet, welcher den

Karbonisierungsbehälter vollständig quert. Die Fläche der mit Prozessmedium in Kontakt kommenden Innenflächen, sowie die mit Thermoöl in Kontakt kommenden Aussenflächen des Karbonisierungsbehälters sind stark vergrössert und eine bessere Wärmeübertragung vom Prozessmedium auf das Thermoöl erreichbar.

Die vorliegende Erfindung hat sich ausserdem zur Aufgabe gestellt einen Karbonisierungsbehälter für eine kompakte Anlage zur hydrothermalen Karbonisierung in einem quasikontinuierlichen Prozess zu schaffen, welcher kompakt und auch im Labormassstab ausführbar ist, wobei der Innenraumdruck und die Karbonisierungstemperatur des Prozessmediums im Karbonisierungsbehälter voneinander entkoppelt sind. Eine weitere Aufgabe ist die Beschleunigung der hydrothermalen Karbonisierung durch eine gezielte Druckerhöhung während des Prozesses, wobei nur ein geringer Energieeintrag notwendig ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben.

Figur la zeigt eine perspektivische Ansicht eines Aussenbehälters eines Reaktors, der auf einer Reaktorlagervorrichtung gelagert ist und an eine Zu- und Abführvorrichtung gekoppelt ist, während

Figur lb eine Seitenansicht des Aussenbehälters mit Blick auf den

Basisboden zeigt.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Reaktors mit angeschlossener Zu- und Abführvorrichtung, wobei die Reaktorlagervorrichtung weggelassen wurde, während Figur 3 eine Seitenansicht des Reaktors aus Figur 2 zeigt.

Figur 4 zeigt einen Horizontalschnitt durch den Reaktor gemäss

Linie C-C aus Figur 3, wobei der Prozessbehälter im Innenraum des Aussenbehälters deutlich wird.

Figur 5a zeigt einen Vertikal schnitt des Reaktors gemäss Figur la, wobei das Prozessmedium im Karbonisierungsbehälter und das Thermoöl im Aussenbehälter dargestellt sind, der besseren Übersichtlichkeit wegen, die Zu- und Abführvorrichtung aber weggelassen wurde und Figur 5b zeigt einen Schnitt in perspektivischer Ansicht durch den Reaktor gemäss Figur 5a, ohne Prozessmedium und Thermoöl. Figur 6 zeigt einen Längsschnitt durch einen Reaktor.

Figur 7a zeigt einen Längsschnitt durch einen

Karbonisierungsbehäiter, befestigt am Basisboden mit weggelassenen Druckbeaufschlagungsmitteln im gestauchten Zustand, während

Figur 7b einen Längsschnitt durch einen Karbonisierungsbehäiter in verlängertem Zustand zeigt.

Beschreibung

Die vorliegende Anmeldung beschreibt eine hydrothermale Karbonisierungsanlage, umfassend einen mehrteiligen Reaktor 1 in welchem die hydrothermale Karbonisierung eines hochviskosen und/oder feststoffbeladenen Prozessmediums effizient und kontinuierlich durchführbar ist. Das hochviskose und/oder feststoffbeladene Prozessmedium umfasst Füllgut, welches aus Rohbiomasse verschiedener Zusammensetzung und Konsistenz, Prozesswasser und Zusatzstoffen, z. B. Katalysatoren besteht. Das Prozessmedium liegt aufgrund seiner Zusammensetzung als Suspension oder als Schlamm vor, wobei Flüssigkeitsanteile mit Feststoffen gemischt sind. Der Füllgutanteil des Prozessmediums wird auch als Edukt betrachtet, da es ein fest-flüssig Gemisch bildet welches im Verlauf der hydrothermalen Karbonisierung in Karbonisierungsprodukte, umfassend verkohlte Biomasse umgewandelt wird . Die Karbonisierungsprodukte bilden einen verkohlten Teil des Prozessmediums, welcher eine ähnliche fest-flüssige Konsistenz hat, wie die Edukte, wobei die festen Bestandteile bestenfalls vollständig in Braunkohle umgesetzt wurden.

Die Edukte werden in den Reaktor 1 der Karbonisierungsanlage eingeschleust, unter hohem Druck und erhöhter Temperatur, wie aus den Grundlagen der hydrothermalen Karbonisierung bekannt, verkohlt nach dem Vorgang als Karbonisierungsprodukte aus dem Reaktor 1 ausgeschleust. Das Ein- und Ausschleusen bzw. die Zu- und Abführung der Edukte und Karbonisierungsprodukte kann bei laufendem Betrieb des Karbonisierungsverfahrens portionsweise stattfinden, wobei der Karbonisierungsprozess nicht wesentlich gestört wird und keinesfalls unterbrochen wird und damit quasikontinuierlich ablaufen kann.

Der Reaktor 1 umfasst einen Aussenbehälter 10, welcher starr ausgebildet ist und als Druckbehälter dient. Der Aussenbehälter 10 ist auf einer Reaktorlagervorrichtung 2 um die Aussenbehälterlängsachse La rotierbar gelagert. Auf zwei Gestellen 20 sind Drehlager 21 angeordnet, sodass der Aussenbehälter 10 durch mindestens einen Rotationsantrieb 22 gesteuert rotierbar ist. Als Rotationsantrieb 22 dienen beispielsweise entsprechend dimensionierte Elektromotoren. Diese rotierbare Lagerung des Reaktors 1 dient der Unterstützung des Karbonisierungsprozesses, ist aber nicht zwingend notwendig.

In der hier dargestellten Ausgestaltung weist der Aussenbehälter 10 einen Aussenbehältermantel 100 mit einem zylindrischen Mittelstück 1003 auf, welches von einem ebenen Basisboden 1001 durch einen Basisflansch 1002 lösbar abschliessbar und flüssigkeitsdicht und druckdicht verschlossen ist. Von der Seite des Basisbodens 1001 wird das Prozessmedium zu- und abgeführt. Auf der dem Basisboden 1001 gegenüberliegenden Seite des Aussenbehältermantels 100 wird das zylindrische Mittelstück 1003 durch einen gewölbt ausgeführten Deckelboden 1005 mittels Deckelbodenflansch 1004 lösbar flüssigkeits- und druckdicht verschlossen. Der Aussenbehälter 10 wird liegend gelagert, wobei die Aussenbehälterlängsachse La etwa horizontal zur Ebene des Untergrunds am Aufstellungsort verläuft. Der Aussenbehälter 10 ist lösbar verschliessbar und damit der Prozess der hydrothermalen Karbonisierung durch den Aussenbehälter 10 im Reaktor 1 von der Umwelt abgeschlossen.

Der Aussenbehälter 10 ist aus Stabilitätsgründen starr und bevorzugt aus Stahl hergestellt, wobei die Wanddicken so gewählt sind, dass auch Fluiddrücke von mehreren bar gefahrlos innerhalb des Aussenbehäiters 10 ausbildbar sind, welche der Aussenbehälter 10 aushalten kann. Je nach geplanter Anlagengrösse und Menge der umzusetzenden Edukte wird die Grösse des Aussenbehälterinnenraums 103 gewählt.

In dem Basisboden 1001 ist eine Einfülldurchführung 104 und eine Ausgabedurchführung 105 vollständig querend angeordnet, wodurch ein Zugang in den Aussenbehälter 10 von aussen bei ansonsten geschlossenem Aussenbehälter 10 ermöglicht ist. In Figur lb ist ein Rührwerkantriebsmittel 132 gezeigt, welches im Zusammenhang mit einer Rühr- und Fördereinrichtung noch erläutert wird.

Figur 2 zeigt einen Reaktor 1 mit einer möglichen Ausführungsform einer angeschlossenen Zu- und Abführvorrichtung 4. Auf die Reaktorlagervorrichtung 2 ist in dieser perspektivischen Ansicht verzichtet worden. Hier dargestellt weist die Ausführungsform der Zu- und Abführvorrichtung 4 einen Zuführzylinder 40 und einen Entnahmezylinder 41 auf, welche jeweils mit der Einfülldurchführung 104 und der Ausgabedurchführung 105 lösbar wirkverbindbar sind .

Zu Wartungszwecken kann die Zu- und Abführvorrichtung 4 vollständig von dem Reaktor 1 getrennt werden und im Betriebszustand entsprechend flüssigkeits- und druckdicht mit dem Reaktor 1 verbunden sein. Die Zu- und Abführvorrichtung 4 ist lösbar durch Flanschverbindungen am Reaktor 1 befestigt. Ein Vorrichtungslager 42 ist derart ausgeführt, dass die Zu- und Abführvorrichtung 4 relativ zum Reaktor 1 ausgerichtet gelagert wird . Da der hier erläuterte Reaktor 1 bevorzugt bei ablaufendem Karbonisierungsprozess um die Aussenbehälterlängsachse La rotiert wird, ist das Vorrichtungslager 42 so ausgestaltet, dass die Zu- und Abführvorrichtung 4 bei Rotation des Reaktors 1 um die Aussenbehälterlängsachse La bei angeschlossener Zu- und Abführvorrichtung 4 mit rotierbar ist. Um eine Rotation zu erleichtern, ist das Vorrichtungslager 42 höhenverstellbar ausgestattet. Ein Kraftregler kann die Höhe des Vorrichtungslagers 42 optimal einstellen, damit eine Rotation erreichbar ist. Damit das Prozessmedium in Form der Edukte zuführbar und in Form der Karbonisierungsprodukte ein- bzw. abführbar ist, sind Antriebsmittel 43 an der Zu- und Abführvorrichtung 4 vorgesehen. Das Prozessmedium kann dadurch mit einer nicht dargestellten Steuerung kontrolliert transferiert werden.

Wie in dem Horizontalschnitt durch den Reaktor 1 gemäss Figur 4 gezeigt, ist innerhalb des Aussenbehälters 10 der erwähnte Karbonisierungsbehälter 11 vollständig eingelassen gelagert, wobei die Karbonisierungsbehälterlängsachse Lp mit der

Aussenbehälterlängsachse La zusammen fällt. Dieser Karbonisierungsbehälter 11 ist mit dem Einfüllkanal 1141 und dem Ausgabekanal 1142 fest mit dem Basisboden 1001 des Aussenbehälters 10 verbunden und damit in den Aussenbehältermantel 100 hineinragend relativ zum Aussenbehälter 10 unbewegbar gelagert.

Der Karbonisierungsbehälter 11 weist einen Karbonisierungsbehältermantel 111 auf, welcher im Betriebszustand von einem Fluid 3 vollständig umgeben bzw. umspült wird. Im Innenraum des Karbonisierungsbehälters 11 befindet sich im Betriebszustand das Prozessmedium 5 in den unterschiedlichen Zuständen. Der Karbonisierungsbehälter 11 umfasst einen zentralen Mantelabschnitt, welcher zwischen einem Deckelteil 1101 und einem Bodenteil 1105 angeordnet ist. Der zentrale Mantelabschnitt ist zylindrisch geformt ausgestaltet und der Deckelteil 1101 mittels Deckelflansch 1102 und der Bodenteil 1105 mittels Bodenflansch 1106 am zentralen Mantelabschnitt lösbar befestigt. Der gesamte Karbonisierungsbehälter 11 wird im Betriebszustand mit dem Prozessmedium 5 unter Druck beaufschlagt und ist entsprechend flüssigkeits- und druckdicht ausgeführt.

An den Bodenteil 1105 anschliessend ist ein Ausgabekanal 1142 angeschlossen, welcher aus dem Innenraum des Karbonisierungsbehälters 11 herausführt. Nach Einbau des Karbonisierungsbehälters 11 in den Aussenbehälter 10 ist der Ausgabekanal 1142 so angeordnet, dass er durch die Ausgabedurchführung 105 des Basisbodens 1001 geführt ist.

Wie in Figur 5a gezeigt ist ein Einfüllkanal 1141 an den Bodenteil 1105 angeschlossen, der entsprechend durch die Einfülldurchführung 104 im Basisboden 1001 des Aussenbehälters 10 durchführbar ist. Der Ausgabekanal 1142 und der Einfüllkanal 1141 sind durch den Basisboden 1001 hindurchragend unlösbar durch eine stoffschlüssige Schweissverbindung oder lösbar durch Flanschverbindungen am Basisboden 1001 befestigbar. Durch an den Einfüllkanal 1141 und den Ausgabekanal 1142 angeformte Befestigungsflansche 115 können die Kanäle 1141, 1142 mit der Zu- und Abführvorrichtung 4 verbunden werden, welche in den Figuren 5a und 5b der besseren Übersichtlichkeit halber weggelassen wurde.

Im Betriebszustand wird das Prozessmedium 5 durch den Einfüllkanal 1141 in den Innenraum des Karbonisierungsbehälters 11 eingefüllt und nach einer Verweil- bzw. Reaktionszeit durch den Ausgabekanal 1142 aus dem Karbonisierungsbehälter 11 ausgeschleust. Entsprechend sind Einfüll- und Ausgabekanal 1141, 1142 während des Betriebes nur zeitweise kontrolliert geöffnet, um die exotherme Reaktion der hydrothermalen Karbonisierung nur kurzzeitig zu beeinflussen. Damit wird der Innendruck und die Temperatur im Karbonisierungsbehälter 10 nur kurzzeitig gestört.

Während im Karbonisierungsbehälter 11 die hydrothermale Karbonisierung unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck abläuft, umgibt das Fluid 3, welches insbesondere ein Thermoöl ist, den Karbonisierungsbehälter 11 innerhalb des geschlossenen Aussenbehältermantels 100.

Das Thermoöl 3 dient bei der hydrothermalen Karbonisierung hier unter anderem als Wärmeübertragungsfluid. Ein am Aussenbehälter 10 angeordneter Beaufschlagungsstutzen 106 dient zur Befüllung und zur Beaufschlagung des Aussenbehälterinnenraums 103 mit dem Fluid 3. Am Beaufschlagungsstutzen 106 sind im Aussenbehälterinnenraum 103 spinnenartig verlegte Rohre 109 zur Strömungsführung des Thermoöl 3 vorgesehen. Mittels Entlüftungsstutzen 108 kann die Luft aus dem Aussenbehälterinnenraum 103 während der Befüllung abgelassen werden. Damit kann extern aufgeheiztes Thermoöl 3 aus einem Thermoöltank zugeführt werden, womit der Karbonisierungsbehälter 11 auf eine zur Karbonisierung notwendige Temperatur gebracht werden kann. Durch die Temperaturerhöhung des Thermoöls 3 wird die exotherme Reaktion gestartet und aufrechterhalten, da diese erst ab einer Mindesttemperatur stattfindet. Durch eine Messung der Temperatur und der Möglichkeit des Austausches des Fluids 3 kann die Temperatur im Karbonisierungsbehälter 11 gesteuert werden.

Das Thermoöl im Aussenbehälter 10 und der Karbonisierungsbehälter

11 bilden einen Wärmeübertrager. Die hochviskosen feststoffbeladenen Edukte 5 und Produkte 5 im Innenraum des Karbonisierungsbehälters 11 geben ihre Wärme teilweise durch den Karbonisierungsbehältermantel 110 während der hydrothermalen Karbonisierung an das umgebende Thermoöl 3 ab. Das Thermoöl 3 umströmt den Karbonisierungsbehälter 11 und kann Wärme aufnehmen und abgeben. Sollte der Karbonisierungsbehälter 11 abgekühlt werden, kann entsprechend überschüssige Wärmeenergie mittels Thermoöl 3 extern genutzt werden.

Um den Durchgang des Prozessmediums 5 durch den Innenraum des Karbonisierungsbehälters 11 zu gewährleisten ist eine Rühr- und Fördereinrichtung umfassend ein Rührwerk 13 den Innenraum mindestens teilweise querend angeordnet. Im Betrieb kann mittels Rührwerk 13 eine ständige Durchmischung des Prozessemediums 5, der Edukte und Karbonisierungprodukte von aussen gesteuert stattfinden. Das Rührwerk 13 dient auch als Fördereinrichtung des Prozessmediums 5. Das Rührwerk 13 kann auf unterschiedliche Arten ausgeführt sein. Rührwerkantriebsmittel 132 sind vorgesehen, um das Rührwerk 13 von aussen gesteuert in Betrieb zu nehmen. Durch eine Antriebsdurchführung 107 im Aussenbehälter 10 und eine querende Antriebsvorrichtung 119 welche bis zum Rührwerk 13 im Karbonisierungsbehälter 11 führt, wird das Rührwerk 13 gesteuert angetrieben. Da der Karbonisierungsbehälter 11 mehrteilig ausgebildet ist kann das Rührwerk 13 einfach in den Karbonisierungsbehälter 11 eingebracht, dort drehbar mittels Rührwerklager 133 gelagert befestigt und von ausserhalb des Reaktors 1 gesteuert betätigt werden. Das Rührwerk 13 ist hier mit einem Reibradantrieb ausgestattet, was in Figur 5b eingekreist dargestellt ist. Am Rührwerk 13 sind Blätter als Stromstörer und/oder zur Unterstützung der axialen Förderung angeordnet.

Der Karbonisierungsbehälter 11 und das darin befindliche Rührwerk 13 sind so ausgebildet, dass das Prozessmedium 5, welches Biomasse in Form von Klärschlamm und Grüngutabfall umfasst, während des Karbonisierungsprozesses förderbar ist. Die Biomasse wird vor der Zuführung in den Reaktor extern zerkleinert, es verbleiben aber weiterhin Feststoffe mit einer maximalen Stückgrösse von 2,5cm x 2,5cm x 2,5cm als Teil des Prozessmediums 5 vorhanden . Durch diese Feststoffbeladung werden an den Karbonisierungsbehälter 11 und das Rührwerk 13 spezielle Anforderungen gestellt.

Dadurch, dass der Aussenbehälter 10 und der Karbonisierungsbehälter 11 jeweils mehrteilig ausgebildet sind, ist ein einfacher Zusammenbau des Reaktors 1 und damit der gesamten Anlage am Aufstellungsort möglich. Vor allem sind auch Wartungsarbeiten ohne grössere Mühen durchführbar, da kein Mannloch vorgesehen sein muss, um Zugang zu den Behältern 10, 11 zu haben. Alle Wände und Bauteile, die mit dem Prozessmedium 5 direkt in Kontakt kommen, sind aus säurebeständigem Material hergestellt. Hier sind diese Teile in Edelstahl ausgeführt. Wie Figur 5a entnehmbar ist, ist ein Wärmeübertragungskanal 116 den Karbonisierungsbehälter 11 zentrisch und vollständig querend, angeordnet, bzw. aus dem Karbonisierungsbehälterhohlvolumen ausgespart. Das den Karbonisierungsbehälter 11 umgebende Fluid 3 bzw. Thermoöl 3 umströmt die Aussenwände des zentralen Mantelabschnittes, des Bodenteiles 1105 und des Deckelteils 1101 des Karbonisierungsbehälters 11. Durch die Ausgestaltung des Wärmeübertragungskanals 116, umströmt das Thermoöl 3 zusätzlich die Wände des Wärmeübertragungskanals 116 im Zentrum des Karbonisierungsbehälters 11. Der Innenraum des Wärmeübertragungskanals 116 ist dabei vom Prozessmedium 5 vollständig getrennt. Wärmeenergie wird durch die Wände des Wärmeübertragungskanals 116 indirekt auf das Prozessmedium 5 und in umgekehrter Richtung übertragen. Entsprechend nimmt das im Innenraum des Wärmeübertragungskanals 116 zirkulierende Thermoöl 3 Wärme auf oder gibt diese ab.

Der Wärmeübertragungskanal 116 weist einen Einlass 1161 auf, welcher dem Bodenteil 1105 des Karbonisierungsbehälters 11 zugewandt ist. Das Thermoöl 3 kann den Bodenteil 1105 im Bereich des Einfüllkanals 1141 und des Ausgabekanals 1142 umströmen. Ebenso kann das Thermoöl 3 vom Einlass 1161 bis zu einem Auslass 1162, der dem Deckelteil 1101 zugewandt ist, durch den Wärmeübertragungskanal 116 strömen. Hier sind die Wände des Wärmeübertragungskanals 116 eben, parallel zueinander und etwa parallel zu den Aussenwänden des Karbonisierungsbehälter 11 und konzentrisch zur Karbonisierungsbehälterlängsachse Lp angeordnet. Damit ist ein Wärmeübertragungskanal 116 mit konzentrischen Wänden das Zentrum des Karbonisierungsbehälters 11 querend geschaffen. Auf dem Weg zwischen Einlass 1161 und Auslass 1162 wird von den Wänden des Wärmeübertragungskanals 116, die im Inneren mit reagierendem Prozessmedium 5 in Kontakt kommen, Wärme auf das zirkulierende Thermoöl 3 übertragen.

Der Durchmesser und/oder die Querschnittsfläche des Wärmeübertragungskanals 116 sind auf der gesamten Länge I des Wärmeübertragungskanals 116 mindestens annähernd konstant gewählt. Möglich ist aber auch eine Ausgestaltung mit Querschnittsflächen, die im Verlauf des Wärmeübertragungskanals variierende Grössen aufweisen, oder andere Mittel im Bereich der Wände des Wärmeübertragungskanals 116, welche die aktive Oberfläche vergrössern. Dies könnten ausgeformte Rippen auf der Oberfläche der Wände sein, die die Wärmeübertragung optimieren.

Der Durchmesser des Wärmeübertragungskanals 116 ist hier so gross gewählt, dass er etwa ein Fünftel bis ein Viertel des Durchmessers des gesamten Karbonisierungsbehälters 11 bzw. des Karbonisierungsbehältermantels 110 beträgt. Damit ist gewährleistet, dass noch genügend viel Prozessmedium 5 durch den Innenraum des Karbonisierungsbehälters 11 transportierbar ist und ausreichend viel Thermoöl 3 durch den Innenraum des Wärmeübertragungskanals 116 zur ausreichenden Wärmeübertragung strömen kann. Der Wärmeübertragungskanal 116 kann den Karbonisierungsbehälter 11 vollständig querend ausgestaltet sein, wobei die Längsachse des Wärmeübertragungskanals 116 auch geringfügig von der Richtung der Karbonisierungsbehälterlängsachse Lp abweichend angeordnet sein kann. Da auch ein Karbonisierungsbehälter 11 mit einem Wärmeübertragungskanal 116 senkrecht zur Richtung der Karbonisierungsbehälterlängsachse Lp einfach herstellbar ist, wäre auch eine solche Gestaltung möglich. Es muss in jedem Fall möglich sein, dass das Thermoöl 3 vollständig durch den Wärmeübertragungskanal 116 strömen und damit den Karbonisierungsbehälter 11 queren und umgebend zirkulieren kann. Dann kann die zusätzlich erreichte Wärmeübertragungsoberfläche des Wärmeübertragungskanals 116 optimal genutzt werden.

Wenn in einem Karbonisierungsbehälter 11 ein Wärmeübertragungskanal 116 angeordnet ist, muss das Rührwerk 13 entsprechend angepasst sein. Hier ist das Rührwerk 13 mit einer Rührwerkwand rohrförmig als hohlzylindrischer Körper ausgestaltet, welcher innerhalb des Karbonisierungsbehälters 11 rotierbar um eine Förderlängsachse anordbar ist. Die Rührwerkwand bildet eine vollständig geschlossene Zylinderfläche. Im Gegensatz zu Rührwerken des Stands der Technik ist das Rührwerk 13 ohne eine zentrische Welle ausgebildet und bildet einen stabilen hohlzylindrischen Körper, dessen Grösse auf den Innenraum des Karbonisierungsbehälters 11 angepasst ist, sodass die Rührwerkwand mindestens annährend parallel zum Karbonisierungsbehältermantel 110 angeordnet ist. Es ist eine innere Förderkammer gebildet, welche konzentrisch zur Längsachse verläuft und in welcher das Prozessmedium 5 parallel zum Wärmeübertragungskanal 116 durch Innenblätter bewegt wird. Durch diese innere Förderkammer wird das Prozessmedium von der Einlassseite des Karbonisierungsbehälters 11 weg befördert. Auf seinem Weg kann das Prozessmedium 5 durch geringen Abstand zum Wärmeübertragungskanal 116 optimal aufgeheizt werden, wodurch die Karbonisierungsreaktion in Gang gebracht wird .

Im Bereich des Deckelteils 1101 des Karbonisierungsbehälters 11 wird das Prozessmedium 5 in einem Umlenkabschnitt umgelenkt und gelangt in eine konzentrische äussere Förderkammer, die zwischen Rührwerkwand und Innenwand des Karbonisierungsbehälters 11 gebildet ist. Durch die Anordung von Aussenblättern an der Aussenfläche der Rührwerkwand wird das Prozessmedium 5 konzentrisch in Richtung des Ausgabekanals 1142 im Bodenflansch 1106 gefördert. Dadurch, dass Prozessmedium 5 nahe entlang der Innenwand des Karbonisierungsbehälters 11 geführt wird, kann eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen stark aufgeheiztem Prozessmedium 5 und der Wand des Karbonisierungsbehälters 11 bzw. dem Thermoöl 3, welches diese Wand umspült, stattfinden .

Der Karbonisierungsbehälter 11 ist derart gestaltet, dass das Karbonisierungsbehälterhohlvolumen oder das Fassungsvermögen des Karbonisierungsbehälters veränderbar ausgestaltet ist.

Der Karbonisierungsbehältermantel 110 ist dazu mindestens teilweise definiert bewegbar ausgestaltet, wobei die Ausdehnung des Behälterinnenraums geändert wird. Damit eine solche Variation des Karbonisierungsbehälterhohlvolumens oder des Fassungsvermögens des Karbonisierungsbehälters 11 möglich ist, muss der Karbonisierungsbehältermantel 110 mindestens zweiteilig ausgestaltet sein. Beispielhaft ist ein derartiger Karbonisierungsbehälter 11 in Figur 6 gezeigt, wobei der zentrale zylindrische Mantelabschnitt in einen ersten Mantelteil 1103 und einen zweiten Mantelteil 1104 geteilt ausgeführt ist. Der erste und zweite Mantelteil 1103, 1104 sind voneinander trennbar und gegeneinander verschiebbar gestaltet. Hier ist das durch eine lineare Verschiebbarkeit der beiden Mantelteile 1103, 1104 gegeneinander in Richtung der Karbonisierungsbehälterlängsachse Lp gelöst. In anderen Ausführungsformen wäre auch eine Verschiebbarkeit der Mantelteile relativ zueinander in einer Richtung senkrecht zur Karbonisierungsbehälterlängsachse Lp möglich.

Der Karbonisierungsbehälter 11 ist mittels

Karbonisierungsbehälterlagern 120 auf der Innenseite des Aussenbehälters 10 gelagert. Da der Bodenteil 1105 fest mit dem Basisboden 1001 verbunden ist, ist der zweite Mantelteil 1004 auf einem statischen Karbonisierungsbehälterlager 120 im Bereich des Bodenflansches 1106 gelagert. Da der erste Mantelteil 1003 relativ zum zweiten Mantelteil 1004 bewegbar gestaltet ist, ist der erste Mantelteil 1003 im Bereich des Deckelflansches teilweise längsbewegbar gelagert.

Damit das Prozessmedium 5 nicht ungewünscht aus dem Karbonisierungsbehälter 11 entweichen kann, muss der Dichtspalt bzw. müssen die Dichtflächen zwischen den Mantelteilen 1103, 1104 entsprechend flüssigkeitsdicht und druckdicht abgedichtet sein.

Um eine reproduzierbare Variation des Fassungsvermögens zu erreichen sind mechanische Druckbeaufschlagungsmittel 118, beispielsweise in Form von Federn 118 zwischen den bewegbaren Mantelteilen angeordnet. Versuche haben gezeigt, dass eine Mehrzahl von Zugfedern 118 verwendet werden muss, um den gewünschten Effekt zu erhalten. Da die Mantelteile beispielsweise aus Edelstahl gefertigt sind, wird üblicherweise eine Mehrzahl von Federn 118 entlang des Umfanges des Karbonisierungsbehälters 11 verteilt angeordnet. Versuche mit 64 Federn 118, gleichmässig entlang des Umfanges verteilt, haben gute Ergebnisse geliefert.

Durch das mechanische Druckbeaufschlagungsmittel 118 wird der erste Mantelteil 1103 samt daran befestigtem Deckelteil 1101 gegen den zweiten Mantelteil 1104 bzw. den daran befestigten Bodenteil 1105 gezwungen. Da der Bodenteil 1105 fest mit dem Basisboden 1001 des Aussenbehälters 10 verbunden ist, wird der Deckelteil 1101 derart in Richtung des Basisbodens 1001 gezogen, dass sich ein minimales Karbonisierungsbehälterhohlvolumen aufgrund der wirkenden Federkraft einstellt. Eine solche Ausgestaltung erlaubt es, dass das Prozessmedium 5 im Innenraum während des Karbonisierungsprozesses auf Temperaturen grösser als 150°C aufheizbar ist. Das Fest-Flüssig-Gemisch im geschlossenen Karbonisierungsbehälter 11 expandiert durch die Ausdehnung von Prozesswasser und Biomasse. Versuche haben gezeigt, dass die Federn einen Innendruck bis zu 9 bar vom bewegbar gestalteten Karbonisierungsbehälter 11 aufnehmen können . Damit kein Verdampfen des Wassers erfolgt, erfolgt über das Thermoöl eine Druckbeaufschlagung . Die Druckbeaufschlagung und der durch die Federn erzeugte Druck erzeugen aufsummiert den Druck im Karbonisierungsbehälter 11.

Bei der hydrothermalen Karbonisierung ist es das Ziel eine ideale Temperatur und einen idealen Druck im Karbonisierungsbehälter 11 zu erreichen, wodurch die Verkohlung in kürzester Zeit abläuft. Wird nun das Prozessmedium 5 im Innenraum des Karbonisierungsbehälters 11 weiter mittels Wärmetausch durch das Thermoöl 3 und die exotherme Reaktion bei der Verkohlung selbst weiter erhitzt, können Temperaturen von 200°C und mehr erreicht werden. Der Karbonisierungsbehälter 11 ist im Aussenbehälter 10 vollständig von Thermoöl 3 umspült gelagert.

Um den Innendruck im Karbonisierungsbehälterhohlvolumen reproduzierbar und von aussen regeln und erhöhen zu können, ist als weiteres Druckbeaufschlagungsmittel 118 eine Druckbeaufschlagung des Fluids 3, welches sich bereits aus Wärmeübertragungsgründen innerhalb des Aussenbehälters 10 befindet und dort zirkuliert, vorgesehen. Neben den mechanischen Druckbeaufschlagungsmitteln 118 ist damit ein zusätzliches hydraulisches Druckbeaufschlagungsmittel 118 vorgesehen.

Durch den Beaufschlagungsstutzen 106 und die Rohre 109 kann das Fluid 3 mit einem Druck beaufschlagt in den Aussenbehälterinnenraum 103 eingebracht werden. Die Rohre 109 sind im Aussenbehälterinnenraum 103 wie in Figur 5a erkennbar derart verlegt, dass das Thermoöl durch die Rohre 109 im Aussenbehälterinnenraum 103 den Karbonisierungsbehälter 11 umspülend verteilt werden kann. Da auch die Entnahme des Thermoöls durch die Rohre 109 erfolgt, ist darauf zu achten, dass thermische Kurzschlüsse ausgeschlossen sind und gerade eingefülltes Thermoöl nicht direkt wieder abgepumpt wird. Die Druckbeaufschlagung des Thermoöls erfolgt hier mittels einer Stickstoffbeaufschlagung, kann aber auch anders gelöst sein .

Wird das Fluid 3 unter Drücken von einigen bar in den Aussenbehälter 10 gepresst, wirkt sich dieser Druck auf das Karbonisierungsbehälterhohlvolumen aus und summiert sich mit dem Druck der mechanischen Druckbeaufschlagungsmittel 118. Der bewegbare Karbonisierungsbehältermantel 110 wird gestaucht und die bewegbaren Mantelteile hydraulisch weiter gegeneinander verschoben. Das Fluid 3 hat damit neben einer Wärmeübertragungsfunktion die Funktion eines hydraulischen Druckbeaufschlagungsmittels 118.

Durch die Einstellung der Druckbeaufschlagung auf das Thermoöl kann der im Karbonisierungsbehälterinnenraum herrschende Druck von ausserhalb des Reaktors 1 stark erhöht und bequem eingestellt werden. Es ist eine einfache Erzeugung grosser Kräfte erreichbar, wobei die angreifenden Kräfte durch einfache Drucksteuerung einstellbar sind und aufgrund der hydraulischen Verwendung nur ein geringer Energieeintrag notwendig ist.

Wird das Prozessmedium 5 im Innenraum des Karbonisierungsbehälters 11 auf etwa 200°C erhitzt, bildet sich ein temperaturabhängiger Innendruck in einem flüssigkeits- und druckdichten Karbonisierungsbehälter gemäss Dampfdruckkurve von Wasser von etwa 15.5 bar aus. Versuche haben gezeigt, dass bei geeigneter Ausgestaltung des Karbonisierungsbehältermantels 110 und der Federkräfte der mechanischen Druckbeaufschlagungsmittel 118 ein Innendruck im Behälterinnenraum temperaturunabhängig von bis zu 9 bar mechanisch erreichbar ist. Wenn zusätzliche von aussen das Fluid 3 mit einem Druck von 16 bar beaufschlagt wird, ist während des Karbonisierungsprozesses damit ein Innendruck von etwa 25 bar erreichbar und kann während des gesamten Prozesses gehalten werden, wobei das Prozessmedium 5 bzw. das Prozesswasser nicht verdampft werden muss. Es ist dazu nur ein geringer Energieeintrag notwendig um die Druckbeaufschlagung zu erreichen. Bei handelsüblichen druckdichten Behältern sind derartige Innendrücke nur mit einer Temperaturerhöhung auf 220°C und mehr erreichbar, was einen enormen zusätzlichen Energieeintrag notwendig macht.

In Figur 7a ist der Karbonisierungsbehälter 11 in einem zusammengezogenen Zustand gezeigt, wobei die Mehrzahl von Federn 118 hier weggelassen wurden. Im Vergleich dazu zeigt Figur 7b den Karbonisierungsbehälter 11 in maximal ausgezogenem Zustand, welcher um eine Länge ΔΙ ausgezogen und damit verlängert ist. Damit kann das Karbonisierungsbehälterhohlvolumen an unterschiedliche Mengen Prozessmedium 5 und resultierende Wärmeausdehnung des Mediums angepasst werden.

Wie beschrieben ist ein kompakter und im Labormassstab ausgeführter flüssigkeits- und druckdichter Karbonisierungsbehälter 11 als Teil eines Reaktors 1 für eine kompakte Anlage zur hydrothermalen Karbonisierung in einem quasikontinuierlichen Prozess geschaffen, welcher den Karbonisierungsdruck und die Karbonisierungstemperatur des Prozessmediums 5 im Karbonisierungsbehälter 11 voneinander entkoppelt. Da der Karbonisierungsbehälter 11 hier längenvariabel ausgestaltet ist, muss ein wirkverbundenes Rührwerk 13 entsprechend auch längenvariabel ausgestaltet sein, um in den verschiedenen Längenzustände des Karbonisierungsbehälters 11 im gesamten Karbonisierungsbehälter wirksam zu sein.

Die hier gezeigte Ausführungsform des Karbonisierungsbehälters 11 umfasst mechanische und hydraulische Druckbeaufschlagungsmittel 118. Es ist aber auch möglich, den Karbonisierungsbehälter 11 wie beschrieben mehrteilig auszugestalten und nur mechanische oder nur hydraulische Druckbeaufschlagungsmittel 118 vorzusehen .

Um den Wärmetausch zwischen dem Fluid 3 und dem Karbonisierungsbehältermantel 110 bzw. dem aufgeheizten Prozessmedium 5 zu optimieren ist der hier dargestellte Karbonisierungsbehälter 11 mit einem zentrisch parallel zur Karbonisierungsbehälterlängsachse Lp verlaufenden Längskanal 116 ausgestaltet. Dadurch wird die wärmetauschende Oberfläche des Karbonisierungsbehälters 11 erhöht. Im Innenraum berührt das Prozessmedium 5 den Karbonisierungsbehältermantel 110 auf der dem Aussenbehälter 10 zugewandten Seite und auf der dem Längskanal 116 zugewandten Seite. Da das Prozessmedium 5 und damit der Karbonisierungsbehälter 11 vor allem im Abschnitt an der dem Beaufschlagungsstutzen 106 zugewandten Seite des Karbonisierungsbehälters 11 stark erhitzt wird, kann die Wärme verbessert durch den Längskanal 116 auf das Fluid 3 übertragen werden und genutzt werden. Bezugszeichenliste

1 Reaktor

10 AuSSenbehälter (starr, als Druckbehälter, Lagerbehälter, auch kugelförmig möglich)

100 Aussenbehältermantel

1001 Basisboden

1002 Basisflansch

1003 zylindrisches Mittelstück

1004 Deckelbodenflansch

1005 Deckelboden (gewölbt, z. B. torisphärisch)

103 Aussenbehälterinnenraum

104 Einfülldurchführung

105 Ausgabedurchführung

106 Beaufschlagungsstutzen

107 Antriebsdurchführung

108 Entlüftungsstutzen

109 Rohre

La Aussenbehälterlängsachse

11 Karbonisierungsbehälter

110 Karbonisierungsbehältermantel (mindestens zweiteilig, hier dreiteilig, glockenförmig)

1101 Deckelteil (gewölbt)

1102 Deckelflansch

zentraler (zylindrischer) Mantelabschnitt

1103 erster Mantelteil

1104 zweiter Mantelteil

1105 Bodenteil

1106 Bodenflansch

1141 Einfüllkanal

1142 Ausgabekanal

115 Befestigungsflansche (Karbonisierungsbehälter an Basisboden)

116 Wärmeübertragungskanal (längenvariabel, vollständig querend)

1161 Einlass

1162 Auslass

119 Antriebsvorrichtung

120 Karbonisierungsbehälterlager

Lp Karbonisierungsbehälterlängsachse 13 Rührwerk

132 Rührwerkantriebsmittel 2 Reaktorlagervorrichtung

20 Gestell

21 Drehlager

22 Rotationsantrieb

3 Fluid

4 Zu- und Abführvorrichtung

40 Zuführzylinder

41 Entnahmezylinder

42 Vorrichtungslager (rotierbar)

43 Antriebsmittel

5 Prozessmedium (hochviskos und feststoff beladen)

Füllgut/Edute / Karbonisierungsprodukte /jeweils mit Prozesswasser