Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Biomasse kommunaler, landwirtschaftlicher und/oder industrieller Herkunft in kohlenstoffhaltige Stoffe anderer Zusammensetzung, bei dem die Biomasse mit Wasser versetzt wird, der wasserhaltigen Biomasse ein Katalysator zugesetzt wird, die mit Wasser und Katalysator angereicherte Biomasse in einem Druckreaktor einer thermischen Reaktion unter Druck, Luftabschluss und Wasserabspaltung unterzogen wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist der DE 196 31 201 C2 zu entnehmen. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist, dass die Erwärmung der Biomasse innerhalb des Druckreaktors mit Hilfe einer externen Wärmequelle, in vorliegendem Fall ü- ber Generatoren zur Erzeugung von Mikrowellenstrahlung erfolgt. Das Verfahren ist energieaufwendig und damit wirtschaftlich nicht effizient.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Es ist bekannt, Brennstoffe mit Hilfe so genannter hydrothermaler Karbonisierung („Inkohlung") aus Biomasse unter Freisetzung von Wärmeenergie herzustellen. Die letztens veröffentlichten Patentanmeldungen, u. a. WO 2008/095589 AI,

EP 1 970 431 AI, WO 2008/113309 AI, DE 10 2007 022 840 AI berufen sich auf den bereits im Jahre 1913 von Friedrich Bergius erforschten chemischen Vorgang, ohne einen weiteren Stand der Technik konkret zu nennen. Bei dem Verfahren wird die aus Bioabfällen, Gras, Laub und anderen Pflanzenresten bestehende Biomasse mit Wasser aufgeschlämmt , mit einem Katalysator, wie Zitronensäure, versetzt und in einem Druckreaktor unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck über einige Umwandlungsstufen emissionsfrei in einen kohlenartigen Stoff überführt. Es wird im Laufe des Prozesses kein Kohlendioxid freigesetzt.

Eine Vorrichtung zur Inkohlung organischer Stoffe, vorzugsweise Müll, zeigt DE 34 24 373 AI. Die Vorrichtung besteht aus einer Druckkammer, Inkohlungskammer genannt, deren eine Wand derart verschiebbar angeordnet ist, dass der Müll kontinuierlich verdichtet werden kann. Die Druckkräfte sollen während des Zusammenpressens so erhöht werden, bis die aus diesen Kräften resultierende Molekularreibung in den organischen Stoffen, die sich in der Inkohlungskammer befinden, so viel Warme erzeugt hat, dass unter dem gleichzeitigen Einwirken von Druck und Wärme, bei gleichzeitig annäherndem Ausschluss von Sauerstoff, diese organischen Stoffe einer Inkohlung unterzogen werden .

In EP 0 204 354 Bl ist ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenwasserstoffe enthaltenden Flüssigkeiten aus Biomasse beschrieben, bei dem die Biomasse in eine Reaktionszone bei erhöhter Temperatur und Druck gebracht wird.

Ferner ist aus EP 0 052 334 B2 eine Vorrichtung zur Gewinnung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen aus organischem Material, darin Klärschlamm, bekannt, bei der innerhalb eines beheizbaren Reaktorrohres eine Förderschnecke angeordnet ist. Hierbei wird Biomasse unter Luftausschluss auf eine Temperatur von 200 bis 600 Grad Celsius erhitzt, jedoch ohne Einschaltung von Reduktions- und Oxidationsprozessen .

Die Verfahren zur Umwandlung von Biomasse, die in oben erwähnten Schriften beschrieben sind, haben den großen Nachteil, dass der Druckreaktor ständig nachgeheizt werden muss, da sonst kommt der Prozess zum Erliegen kommt. Dies erfordert einen sehr hohen Energieaufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der im Oberbegriff genannten Art zu konzipieren, das energieeffizienter ist und mit dessen Hilfe der Prozess in industriellem Maßstab geführt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln.

Diese Aufgabe ist durch ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, bei dem die Biomasse vor und nach dem Auftreten der thermischen Reaktion außerhalb des Druckreaktors vorgewärmt wird und im vorgewärmten Zustand dem Druckreaktor zugeführt wird, die Reaktion im Druckreaktor durch die vorgewärmte und mit Katalysator angereicherte Biomasse initiiert wird, die Biomasse kontinuierlich den Druckreaktor passiert, wobei der vorgewärmte Teil der Biomasse von einem übrigen im Druckreaktor befindlichen Teil der Biomasse umgeben ist.

Als Biomasse wird ein organisches Material verstanden, bei dem sich vorzugsweise um biologische, wasserhaltige Rest- und Abfallstoffe handelt. Diese Materialien stammen üblicherweise aus Haushalten (Biomüll) , aus Industriebetrieben (Brauereien, Lebensmittelverarbeitung, Papierfabriken, Pharmaindustrie etc) und als Klärschlamm der biologischen Abwasserreinigung. Zu den Materialien zählen auch landwirtschaftliche und forstwirtschaftliche Abfälle und Rest von nachwachsenden Rohstoffen, die Cellulose enthalten. Der Biomasse können auch Holz- und Holzwerkstoffrechte zugefügt werden, falls sie vorher entsprechend zerkleinert sind.

Die Reaktion verläuft in Anwesenheit wenigstens eines sauren Katalysators und ist exothermisch. Vorzugsweise kommt als Katalysator Zitronensäure zum Einsatz, die mit dem cellulosear- tigen Material der Biomasse reagiert . Außer Zitronensäure kommen auch andere organischen Säuren, beispielsweise Essig-, A- meisen- , Bernstein-, Weinsäure u. a., in Frage.

Vorteilhaft ist, dass die Biomasse den Druckreaktor wenigstens in vorbestimmten Zeitabständen in entgegengesetzten Fließrichtungen passiert. Dabei ist besonders vorteilhaft, die Biomasse zugleich in eine Rotationsbewegung zu versetzen, die in einer oder gleichzeitig in zwei entgegengesetzten Drehrichtungen erfolgen kann. Diese Maßnahmen verbessern den Wärmeaustausch der Biomasse -Ströme .

Die Vorwärmung der Biomasse außerhalb des Druckreaktors kann in einem beheizbaren Mischbehälter erfolgen. Die Biomasse kann auf eine Temperatur bis etwa 200°C, vorzugsweise sollte sie zwischen 95 "C und 135 °C vorgewärmt werden. Vorteilhaft ist, dass die Vorwärmung der Biomasse im Mischbehälter durch die aus dem Druckreaktor gewonnene Abwärme unterstützt wird.

Beim Beginn des Prozesses, Anlaufphase genannt, wird wenigstens ein Teil der im Druckreaktor befindlichen Biomasse von wenigstens einer externen Wärmequelle, wie Anwärmkartusche, aufgeheizt. Die Anwärmkartuschen können an mehreren Stellen des Innen- und/oder Außenreaktors platziert sein. Sonst ver- läuft der Prozess ohne Energiezufuhr von außen, so dass er nach der Anlaufphase autark geführt werden kann.

Der Prozess verläuft kontinuierlich, wie in einem Kreislauf, bei dem immer wieder neues Material (Biomasse) zugeführt und verarbeitetes Material (Produkt) entnommen werden kann. Dabei entsteht auf Grund der exothermischen Reaktion eine überschüssige Energie, die in Form von Wasserdampf wenigstens einen Dampfmotor mit Stromgenerator betreiben kann. Von Vorteil ist, dass abgesehen von der Anlaufphase keine Wärme mehr von aussen zugeführt werden muss und dass die wärmebedingten Schwankungen des Prozesses dank des zur Verfügung stehenden Energie-Überschusses ausgeglichen werden können.

Der Auslauf der verarbeiteten Masse aus dem Druckreaktor kann stufenweise erfolgen, indem mehrere Ablassventile nacheinander geöffnet und geschlossen werden. So erhält man kohlenstoffhaltige Produkte von unterschiedlicher Konsistenz und Dichte.

Von großem Vorteil ist, dass die Konversion von organischen Materialien gemäß Erfindung derart durchführbar ist, dass der Brennwert der eingesetzten Biomasse weitgehend genutzt werden kann .

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens setzt sich im Wesentlichen aus nachfolgend aufgelisteten Teilen zusammen: aus wenigstes einem Druckreaktor, der aus einem Außenreaktor und wenigstens einem Innenreaktor besteht, und aus wenigstens einem, dem Innenreaktor vorgeschalteten, beheizbaren Mischbehälter.

Vorzugsweise ist sowohl der Innenreaktor als auch der Außenreaktor zylindrisch ausgeführt, wobei die beiden eine gemeinsame Längsachse aufweisen, so dass eine nicht unterbrochene Rohr- Im-Rohr-Anordnung entsteht.

Der Innenreaktor ist drehbar gegenüber dem Außenreaktor angeordnet, wobei die Drehbewegung in einer oder auch in zwei entgegengesetzten Drehrichtungen um die genannte Längsachse realisiert werden kann.

Weiterhin kann der zylindrische Innenreaktor mit einer Innenschnecke und/oder mit einer Außenschnecke versehen sein. Die Innenschnecke kann drehbeweglich gegenüber einem Mantel des Innenreaktors angeordnet oder starr mit einer Mantel -Innenseite des drehbaren Innenreaktors verbunden sein. Anstelle der Innenschnecke oder Außenschnecke können mehrere voneinander getrennte Rührarme zum Einsatz kommen.

Vorzugsweise sind die Drehbewegungen der Innenschnecke

und/oder die des Mantels des Innenreaktors reversibel.

Der Mischbehälter kann mit wenigstens einem Rührwerk ausgestattet sein, dessen Antriebsachse vertikal, d. h. senkrecht zur Längsachse des Druckreaktors oder aber waagerecht oder geneigt angeordnet sein kann. Wichtig ist, dass der Mischbehälter, wie auch der Druckreaktor luftdicht ausgeführt und zwecks Minimalisierung der Wärmverluste entsprechend thermoisoliert ist .

Der Druckreaktor kann auf einem entsprechend verfestigten Untergrund, beispielsweise auf einem Betonboden oder einer oberhalb des Bodens liegenden Plattform ruhen. Es ist denkbar, die gesamte Vorrichtung oder zumindest den Druckreaktor zwecks Mobilität der Anlage auf eine Fahrzeugplattform aufzustellen.

Die Vorrichtung arbeitet emissionsfrei und bindet C0 ₂ und CO. Die durch Stoffwandel entstehenden Produkte können nach Bedarf zur Energiegewinnung oder als Bodenverbesserer und Dünger eingesetzt werden.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der

Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Druckreaktor mit angeschlossenem Mischbehälter, in einer schematischen Seitenansicht;

Fig. 2 den Druckreaktor gemäß Fig. 1 in einer schematischen

Stirnansicht ;

Fig. 3 den Druckreaktor gemäß Fig. 1 in einem Längsschnitt;

Fig. 4 die gesamte Vorrichtung in einer perspektivischen, schematischen Darstellung;

Fig. 5 den Druckreaktor gemäß Fig. 1 in einer vergrößerten

Darstellung, mit skizzenhaft angedeuteter Armatur;

Fig. 6 ein Detail „C" gemäß Fig.l;

Fig. 7 eine schematische Einteilung des Außenreaktors in

mehrere Felder.

Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung 100 bzw. Anlage besteht im Wesentlichen aus einem Druckreaktor 2 mit zwei angeschlossenen Mischbehältern 1.1 und 1.2, einem Dampfkessel 16, zwei Stromgeneratoren 17, einem Kondensationswassertank 19, einem Reaktionsmittelbehälter 20, einem Heizgerät 21 und einem Auffang- behälter 22. Der Dampfkessel 16 ist über eine Leitung 30 und ein Überdruckventil 18 mit dem Druckreaktor 2 verbunden.

Der Druckreaktor 2 ist detailliert in Figuren 3 und 5 gezeigt. Er setzt sich aus einem zylindrischen Außenreaktor 2.2 und ei- nem ebenso zylindrischen Innenreaktor 2.1 zusammen. Der Außenreaktor 2.2 weist einen Mantel 9 und zwei Stirnwände 31.1 und 31.2 auf, an denen der Innenreaktor 2.1 gelagert ist. Der Innenreaktor 2.1 weist wiederum einen Mantel 3 auf, der länger als der Mantel 9 des Außenreaktors ist. Der Außenreaktor 2.2 weist eine Kammer 39 auf, deren effektives Volumen von dem Mantel 9 und von dem Innenreaktor 2.1, sowie von der Außenschnecke 5 begrenzt ist.

Der Innenreaktor 2.1 bzw. dessen Mantel 3 ist drehbar innerhalb des Außenreaktors 2.2 angeordnet. Innerhalb des Innenreaktors 2.1 verläuft eine um eine Welle 25 drehbar angeordnete Innenschnecke 4, die nahezu bis zu einer Mantel -Innenseite 32 reicht, d. h. sie gleitet während der Drehbewegung über die Mantel -Innenseite 32. Dabei ist die Drehbewegung der Innenschnecke 4 reversibel.

Der Mantel 3 des Innenreaktors 2.1 ist von einer Außenschnecke

5 umgeben, welche starr mit dem Mantel verbunden ist. Die Drehbewegung des Mantels 3 des Innenreaktors 2.1 und damit der Außenschnecke 5 kann in einer oder in zwei entgegengesetzten Drehrichtungen Dl, D2 (vgl. Fig. 2) erfolgen. Hier wird noch auf ein in Figuren 1 und 3 gezeigtes Zahnrad 33 verwiesen, das Teil eines nicht weiter dargestellten Zahnantriebs ist.

Der Mischbehälter 1 ist durch einen zylindrischen Doppelmantel

6 gebildet, der einen mit Öl befüllten Raum 7 aufweist. In dem Raum 7 ist auch eine Heizeinrichtung 8 in Form einer Heizspirale (vgl. Figuren 1 und 6) untergebracht. Weiterhin weist der Mischbehälter 1 ein Rührwerk 24 und einen luftdicht verschließbaren, gewölbten Deckel 12 auf, an dem ein ebenso verschließbarer Einfüllstutzen 13 eingebracht ist. Ein nicht dargestellter Antrieb für das Rührwerk 24 ist wegen Vereinfachung der Zeichnung weggelassen. Der Mischbehälter 1 verjüngt sich konisch nach unten und schließt sich über ein gesteuertes Ven- til 23 (Klappe) an eine Einfüllöffnung 34 des Innenreaktors 2.1 an .

Der Mischbehälter 1 und der Innenreaktor 2.1 samt Innen- und Außenschnecken sind aus einer Bronzelegierung hergestellt. Der Mantel 9 und Stirnwände 31.1, 31.2 des Außenreaktors 2.2 sind aus einer korrosionsbeständigen Stahllegierung gefertigt und ähnlich wie der Mischbehälter 1 vakuumisoliert.

Am Mantel 3 des Innenreaktors 2.1 sind zwei verschließbare Auslässe 10.1, 10.2 vorgesehen (vgl. Fig. 5), von denen der Auslass 10.1 direkt in den Außenreaktor 2.2 führt. Der zweite Auslass 10.2 ist mit einem Auffangbehälter 22 verbindbar. Dies ermöglicht das Ablassen des im Innenrohr befindlichen Produktes wahlweise in den Außenreaktor 2.2 oder in den Auffangbehälter. Wie die Fig. 5 zeigt, ist der Innenreaktor 2.1 an seinem dem Mischbehälter abgewandten Ende 35 mit einem Hydraulikkolben 11 versehen, mit dessen Hilfe ein Entleerungsschieber 36 den am Mantel 3 angeordneten Auslass 10.1 schließen und öffnen kann.

Am Mantel 9 des Außenreaktors 2.2 ist eine Austragsöffnung 14.1 zum Entlassen des fertigen Produktes angeordnet. Eine zusätzliche Austragsöffnung 14.2 befindet sich unmittelbar vor der hinteren Stirnwand 31.1.

Der Druckreaktor 2 ist mit üblicher Armatur, wie Thermometer 26, Druckmesser 27, pH-Messer 28 und Probeentnahmestelle 29 ausgestattet. Die Teile der Armatur sind jeweils an mehreren Stellen des Mantels 9 vorgesehen.

Funktion der Vorrichtung (vgl. Figuren 5 und 6)

Es wurden folgende Parameter des Prozesses und der Vorrichtung vorbestimmt : Einteilung der um Innenreaktor 2.1 verlaufenden Außenschnecke 5 in neun Felder 38;

Jedes in Fig. 7 schematisch gezeigte Feld entspricht einem Volumen V2 des Innenreaktors 2.1; Daraus ergibt sich ein Gesamtvolumen V3 des Außenreaktors:

V3 = 9 x V2

Das Volumen V2 des Innenreaktors soll von einem Volumen VI des Mischbehälters nicht unterschritten werden, d. h.

V2 < VI

Der Kesseldruck im Dampfkessel 16 soll zwischen 18 und 20 bar liegen;

Im erwärmten Mischbehälter herrscht ein Druck zwischen 1010 und 1015 mbar;

Der PJ-Wert der Trockenmasse beträgt im Durchschnitt 17 000 kJ/kg;

Die Verweildauer der Biomasse im Innenreaktor beträgt etwa 1 Stunde .

Zum Beginn der bis zu 8 Stunden dauernden Anlaufphase werden in den leeren Druckreaktor 2 zwei auf etwa 170 °C mit Thermoöl angeheizte Anwärmkartuschen 15.1, 15.2 eingelassen. Die Anwärmkartuschen sind aus Bronzelegierung gefertigt und haben jeweils ein Volumen von etwa 0,7 m ³ . Die Anwärmkartuschen

15.1, 15.2 werden in einem Einlass 37 (vgl. Fig.7) des Innenreaktors 2.1 und am gegenüberliegenden Ende des Außenreaktors 2.2 an dessen Stirnseite 31.1 (vgl. Fig.7) oder über den in Fig. 5 gezeigten Auslass 14.2 im Außenreaktor untergebracht. Die Anzahl und Anordnung der Anwärmkartuschen 15.1, 15.2 am Druckreaktor ist nur beispielhaft gewählt und kann nach Bedarf anders vorgenommen werden.

Über den Einlaufstutzen 13 am Deckel 12 wird Biomasse und dazu etwa 15% Gewichtsteile an Wasser in zwei Mischbehälter 1.1, 1.2 (vgl. Fig. 4) gepumpt, bis die Mischbehälter gefüllt sind. Mit dem Rührwerk 24 wird das Gemisch zu einer homogenen Masse verarbeitet. Die Erwärmung der Mischbehälter 1.1, 1.2 auf eine Temperatur von 120 °C und damit der Biomasse erfolgt mittels der in Fig. 2 gezeigten Heizeinrichtung 8. Der Überschuss an vorgewärmter Biomasse in beiden Mischbehältern 1.1, 1.2 reicht für das Befüllen des Innenreaktors 2.1 und für die portionsweise Beschickung des Außenreaktors .

Die Einteilung einer Kammer 39 des Außenreaktors 2.2 in neun Felder und die Zuordnung des Fassungsvermögens des Innenreaktors 2.1 nur einem Feld 38 (Volumen-Abschnitt) geht aus der vorgegebenen Leistung hervor. Ein Feld 38 entspricht dem Volumen V2 des Innenreaktors (vgl. Fig. 7) . Die Portionen der Biomasse (in vorliegendem Fall 9 Portionen) werden aus dem Innenreaktor 2.1 nach und nach in die Kammer 39 des Außenreaktors 2.2 über den Auslass 10.1 (linke Seite Fig.5) gelangen, der mittels Hydraulikkolben 11 und Entleerungsschieber 36 jedes Mal geöffnet wird. Dadurch wird erreicht, dass sich die in der Kammer 39 befindliche Masse miteinander nicht vermischt und der Brennwert der in einem Feld befindlichen Masse völlig ausgenutzt werden kann. Der unter Luftausschluss geführte Prozess verläuft ununterbrochen und kann nach Bedarf monatelang dauern .

Außerdem besteht die Möglichkeit, die Masse aus den Mischbehältern 1.1, 1.2 nach Bedarf nachzufüllen, weil die zur Verfügung stehende Biomasse nicht immer den gleichen Brennwert aufweist. Durch den Materialnachschub kann der Prozess im Außen- reaktor besser gesteuert werden. Es wird an eine gleichmäßig in jedem Feld verlaufende Reaktion angestrebt.

Die Verweildauer der vorbestimmten Menge an Biomasse im Innenreaktor 2.1 beträgt etwa 1 Stunde, d. h. jede Stunde wird eine weitere Portion der vorgewärmten Biomasse von dem Mischbehälter in den Innenreaktor zugeleitet, ohne den Prozess anhalten zu müssen. Die Innenschnecke 4 dreht sich links und rechts und homogenisiert dadurch die Masse.

Nach einer Stunde wird die Masse vom Innenreaktor in Fließrichtung Rl über den Auslass 10.1 in den Außenreaktor 2.2 entlassen und zugleich ein Reaktionsmittel, hier: Zitronensäure und Wasser vom Reaktionsmittelbehälter 20 zugeführt, wobei das Gewichtsverhältnis des Wassers zu Reaktionsmittel etwa 20 beträgt. Das Reaktionsmittel initiiert den exothermischen Prozeß bereits bei einer Temperatur von 170 °C, bei dem Wasserdampf entsteht. Bei einer Temperatur von 210 °C entsteht ein Überdruck von 20 bar. Der erzeugte Wasserdampf weist ebenso einen Druck von 20 bar auf.

Damit der Brennwert der Masse maximal ausgenutzt werden kann, insbesondere für die DampfProduktion, wird das Wasser zwecks Erreichung der größten Gesamtoberfläche in Nebelform zugeführt .

Jede Stunde bewegt sich die Masse immer um ein Feld in Fließrichtung R2 und kommt nach 9 Stunden ins letzte Feld, wo sich der Auslass 14.2 befindet. Die verarbeitete Masse wird ausgelassen und das erste Feld wird mit der Masse aus dem Innenreaktor 2.1 über den Auslass 10.1 gefüllt. Unmittelbar danach wird der Innenreaktor wieder mit der im Mischbehälter 1.1 bzw. 1.2 vorgewärmten Masse gefüllt und vermischt. Insgesamt verweilt die Biomasse im Außenreaktor etwa 9 Stunden bei einer Temperatur zwischen 200 und 210 °C, bis der Brennwert der Masse aufgebraucht ist. Der Auslauf der Masse wird nach Bedarf zweistufig durchgeführt. Die Auslässe 14.1, 14.2 (Ablassventile) am Außenreaktor werden dann nacheinander geöffnet, so dass keine Luft in den Prozess gelangt.

Je nach gewünschter Verweildauer, meist 9 Stunden, wird die Drehbewegung der Außenschnecke 5 eingestellt bzw. wird eine sehr langsame Drehung der Außenschnecke und damit des Mantels 3 vorgenommen .

Der Wasserdampf gelangt über das Überdruckventil 18 und ther- moisolierte Leitung 30 in den Dampfkessel 16, an den zwei hintereinander geschaltete Stromgeneratoren 17 angeschlossen sind .

Mit dem auf dieser Weise erzeugten elektrischen Strom werden wiederum Teile der Vorrichtung, wie Rührwerk 24, Heizeinrichtung 8 in den Mischbehältern 1.1, 1.2, Entleerungsschieber 36 und andere bewegliche Elemente betrieben.

Der übrige Strom wird ins öffentliche Netz eingespeist.