Verfahren zum Aufbereiten von organischen Feststoffen als Brennstoff für Festbettvergaser sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Festbettvergasers zum Erzeugen eines Produktgases mit solchen aufbereiteten organischen Feststoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten von organischen Feststoffen als Brennstoff für Festbett-Vergaser nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Festbettvergasers zum Erzeugen eines Produktgases mit solchen aufbereiteten organischen Feststoffen nach Anspruch 16.

Bei der Herstellung von Palmöl fallen durch das Auspressen des Öls große Mengen von faserigen Abfallstoffen sogenannten„Empty Fruit Bunches" oder EFB an. Als Brennstoff hat EFB in unbehandelter Form sehr schlechte Eigenschaften hinsichtlich Aschegehalt (>10 wt%) und vor allem Ascheschmelzpunkt (<900°C). Dies macht eine Nutzung in Festbettvergasern aber auch in der Verbrennung kritisch bzw. unmöglich. Der gängige Weg der Entsorgung ist daher die Vergärung in Faultürmen, unter erheblicher Geruchsbelastung der Umgebungsluft.

Aus Journal of Physical Science, Vol. 22(1 ), 201 1 , Seiten 1 - 24,„Characterisation of Oil Palm Empty Fruit Bunches for Fuel Application" sind verschieden Verfahren zur Vorbehandlung von Problembrennstoffen wie EFB mit destilliertem Wasser bekannt. Die Behandlung des EFB wurde unter Laborbedingungen durchgeführt und ist für den Feldeinsatz nicht geeignet. Dieses bekannte Verfahren zielt bei der Behandlung von Problembrennstoffen (Schlackebildung, Korrosion) auf das Auslaugen von Salzen durch Konzentrationsunterschiede. Durch die Verwendung von destilliertem Wasser werden mit einer möglichst geringen lonenkonzentration und somit möglichst starkem Gefälle die niedrigschmelzenden Salze (vorwiegend Kaliumsalze) aus dem Brennstoff ausgelaugt. Das Problem des zu niedrigen Ascheschmelzpunktes kann auch bei anderen organischen Feststoffen auftreten, die als Brennstoff für Festbettvergaser zur Erzeugung von Produktgas eingesetzt werden.

Ausgehend von dem Artikel in Journal of Physical Science, Vol. 22(1 ), 201 1 , Seiten 1 - 24,„Characterisation of Oil Palm Empty Fruit Bunches for Fuel Application" ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Aufbereiten von organischen Feststoffen als Brennstoff für Festbett-Vergaser anzugeben, so dass die organischen Feststoffe in Festbettvergasern zur Erzeugung von Produktgas (Holzgas) eingesetzt werden können. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Festbettvergasers zum Erzeugen eines Produktgases aus derart aufbereiteten organischen Feststoffen anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 16.

Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren nach dem nächstkommenden Stand der Technik werden bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung durch Temperatureinwirkung in wässriger Lauge (Ca(OH)2) _aq niedrigschmelzende Kaliumsalze in temperaturstabile Calciumsalze durch lonentausch umgesalzt. Es wird also nicht in erster Linie eine Abreicherung des Aschegehaltes angestrebt, sondern primär eine Stabilisierung der Aschebildner. Die Absenkung des Aschegehaltes durch Auslaugen ist auch vorhanden, jedoch geringer als bei Verfahren mit destilliertem Wasser. Dies ist allerdings auch nur ein positiver Nebeneffekt der Aufbereitung nach der vorliegenden Erfindung. Durch die Verwendung von Meerwasser oder Frischwasser statt destilliertem Wasser ist das Verfahren besonders umweltfreundlich und kostengünstig. Hierbei werden auf einen Liter erhitztes Wasser mit Additiv zwischen 5g und 500g organische Feststoffe gegeben. Es hat sich gezeigt, dass vor allem zwei Faktoren positive Auswirkungen auf die Brennstoffeigenschaften haben, die Erhöhung der Temperatur der wäss- rigen Lauge und die Laugenbildung durch Zugabe von Branntkalk (CaO), Kalkstein und/oder Kaolin. Nach dem Trocknen ergibt sich ein Brennstoff für Festbettvergaser der auch bei einer Temperatur von 1 100 °C nicht mehr schmilzt und einen Aschegehalt von unter 10 Gewichtsprozent aufweist. Als einziges Additiv oder zusätzlich kann vorteilhaft Zement eingesetzt werden, dessen Hauptbestandteil CaO ist - Anspruch 2.

Besonders hilfreich ist die Aufbereitung bei faserigen organischen Feststoffen, wie Pflanzen - Anspruch 3. Hierbei kann es sich sowohl um nachwachsende Rohstoffe als auch um Pflanzenabfall handeln, der z. B. bei der Baumwollerzeugung, der Produktion von alkoholischen Getränken oder als sogenanntes EFB bei der Palmölproduktion anfällt. Insbesondere können folgende organischen Feststoffe aufbereitet werden:

Rückstände/Bioabfall der Baumwollerzeugung

Bambus

Kokusnuss Fruchtfaser

Kokusnuss Schale

Kokusnusspalme Stamm

Jatropha

Reishülsen

Rückstände/Bioabfall der Sojaproduktion

Hirse

Weizenstroh, Reisstroh

Miscanthus

Napier Gras

Mangokerne

Rückstände/Bioabfall der Zuckerrohrproduktion

Nebenprodukte und Rückstände/Bioabfall der Bierproduktion

Nebenprodukte und Rückstände/Bioabfall der Weinproduktion

Nebenprodukte und Rückstände/Bioabfall der Whiskyproduktion

Wasserlilien

Laub und Grünschnitt

Holz- und Rindenmulch

Schlachtabfälle

Seegras, Algen Besonders wirkungsvoll ist die Aufbereitung bei faserig grasartigen Feststoffen, wie A- rundo Donax, Napier Gras, Switch Gras, Miscanthus, Heu, Stroh; faserigen Fruchtschalen, wie Mangosteen, Jackfruit, Durian, Brotfrucht, Kaktusfeige, Kokusnuss, Bananen, Kakaoschalen, Ananas, Zitrusfrüchte; Palmfasern, wie Kokusnuss, Dattel, Hanfpalme; und faserigen Fruchtkernen, wie Mangokerne, Kokusnuss, Avocado.

Für Meerwasser hat sich ein Bereich von 10g bis 20g organische Feststoffe pro Liter Meerwasser als vorteilhaft herausgestellt - Anspruch 7.

Bei Frischwasser liegt der bevorzugte Bereich zwischen 50g und 200g organische Feststoffe auf einen Liter Frischwasser. Es wird eine Minimierung des Frischwasserverbrauchs angestrebt - Anspruch 8.

Vorzugsweise beträgt die Menge des Additivs zwischen 1 und 10 Gewichtsprozent bezogen auf die Masse der organischen Feststoffe - Anspruch 9.

Die Mischung aus Wasser, Additiv und organischen Feststoffen wird vorzugsweise auf eine Temperatur von 40°C bis 80°C und vorzugsweise auf 50°C bis 70°C und erhitzt - Anspruch 10.

Die Wärme für das Erhitzen der Mischung aus Wasser, Additiv und organischen Feststoffen wird vorzugsweise durch Abwärme aus dem Festbettvergaser bereitgestellt - Anspruch 1 1 .

Die Verweildauer der organischen Feststoffe in der Flüssigkeit beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 20 Stunden und bevorzugt zwischen 1 und 5 Stunden - Anspruch 12.

Die Verweildauer kann durch mechanisches Rühren der Mischung aus Wasser, Additiv und organischen Feststoffen verringert werden - Anspruch 13. Insbesondere bei holzigen faserigen Feststoffen beträgt die Faserlänge nach dem Zerkleinerungsschritt zwischen 1 cm und 10cm und vorzugsweise zwischen 3cm und 5cm - Anspruch 14.

Der Einsatz von derart aufbereiteten organischen Feststoffen führt aufgrund des erhöhten Ascheschmelzpunktes, des geringeren Ascheanteils und der stabilisierten Aschebildner zu einem unproblematischen Betrieb in einem Festbettvergaser zum Erzeugen eines Produktgases aus schüttbaren Biomasseteilchen aus den aufbereiteten organischen Feststoffen.

Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Beispielsweise wurde EFB in dem Zerkleinerungsschritt auf eine Faserlänge zwischen 3cm und 5cm zerkleinert. Auf einen Liter Meerwasser ca. 10g EFB gegeben. Als Additiv wurde 1 g Branntkalk (CaO) auf 11 Meerwasser und 10g EFB gegeben. Die Mischung aus EFB, Meerwasser und Additiv wurde auf ca. 60°C erhitzt und das EFB wurde 20 Stunden eingeweicht. Anschließend wurde das EFB entnommen und mechanisch auf einen Wassergehalt von ca. 50w% und dann thermisch auf einen Wassergehalt von ca. 15 w% getrocknet. Dieses getrocknete EFB wurde anschließend pelletiert. Diese Pellets werden als schüttbare Biomasseteilchen in einem Festbettvergaser gemäß der WO 2016/091835 A1 eingesetzt. Der Einsatz war unproblematisch. Der Ascheschmelzpunkt stieg gegenüber unbehandeltem EFB auf über 1 100°C und der Aschegehalt fiel auf unter 10w% des eingesetzten EFB.

Eine Verringerung der Verweildauer 5 Stunden und gleichzeitigem mechanischen Rühren während der Verweildauer führte zu ähnlichen Ergebnissen hinsichtlich Ascheschmelzpunkt und Aschegehalt (Ascheschmelzpunkt >1 100°C, Aschegehalt <10w%). Ein weiteres Anwendungsbeispiel des genannten Verfahrens ist die Aufbereitung von Reishülsen. Als verhärtete Hülsen des Reiskorns fallen diese in großen Mengen bei der Reisproduktion an. Reishülsen sind wegen Ihres geringen spezifischen Volumens und des niedrigen Ascheschmelzpunktes als ein Problembrennstoff anzusehen. Ohne Vorbehandlung ist eine hellrosa schimmernde Schmelzschicht als Resultat eines Schmelzversuches bei 1 100 °C im Glühofen zu beobachten. Nach einer Vorbehandlung von 10g Reishülsen mit 100 ml Süßwasser bei 60 °C für 5 Stunden eingelegt mit 1 g CaO, z. B. in Form von Zement, ergibt sich eine weich strukturierte Asche ohne einsetzende Schmelzenbildung. Dieser Laborversuch lässt sich mit den oben genannten Verhältnissen der Einsatzstoffe hochskalieren zur Produktion von Brennstoff. Ein derart vorbehandeltes Rohmaterial lässt sich dann, auch aufgrund der verbesserten Konsistenz, zu Pellets pressen und in dem beschriebenen Vergaser zur Bereitstellung von Strom und Wärme einsetzen.

Auf fast allen tropischen oder subtropischen Inseln zu finden ist die Kokosnusspalme. Diese Pflanze und vor allem die faserigen Fruchtkörper sind somit ein idealer Brennstoff für die dezentrale Energieversorgung entlegener Inseln. Die Nutzung von Kokosnussab- fällen bietet dabei vielerorts das Potential die bestehende Stromversorgung mittels Dieselgeneratoren zu ersetzen. Besonders die faserigen Fruchthülsen der Kokosnuss fallen, gerade bei der dezentralen Erzeugung, als Abfall an. Diese machen ca. 35 Gewichtsprozent der frischen Kokosnuss aus. Bestenfalls werden die Kokosfasern zur Herstellung von Gewebematerialien, Briketts und Dünger verwendet. Dies bietet sich jedoch nur bei der zentralen Verarbeitung der Nuss an. Mit dem oben genannten Verfahren lassen sich die sehr niedrig schmelzenden Aschekomponenten der Kokosfasern stabilisieren. Dies gilt sowohl für die Fruchtfasern als auch für den Stamm der Palme selbst. Hierfür wird Meerwasser auf ca. 75 °C erhitzt in einem Verhältnis von 1/100 werden Kokosfasern hinzugegeben (zum Beispiel 10g auf 1 Liter)und wiederrum in einem Verhältnis von 1 zu 10 bezogen auf den Biomasseanteil wird CaO, z. B. in Form von Zement, zur Mischung hinzugefügt. Diese Mischung wird für 5 Stunden gebrüht. Das Resultat ist eine weiche Asche ohne Bildung von Schmelze. Ein derartiges Rohmaterial kann dezentral in kleinen Mühlen zu Pellets weiter verarbeitet werden und mit dem im Patent beschrieben Biomassevergaser zur Bereitstellung von Strom und auch ganzer dezentraler Stromnetze im Inselbetrieb eingesetzt werden.