Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Unter Biomasse werden im Sinne der Erfindung sämtliche nachwachsenden Rohstoffe, d.h. pflanzliche Biomasse sowie davon abgeleitete tierische Biomasse und deren Stoffwechselprodukte verstanden, also beispielsweise Grüngut, Hackschnitzel, Pflanzen- und Pflanzenreste, Stroh, Silage,

Reststoffe aus der Landwirtschaft, Papier- bzw. Klärschlämme etc..

Vorrichtungen zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt Die hydrothermale Karbonisierung bildet den natürlichen Entstehungsprozess von Braunkohle nach. Dabei wird Biomasse als Ausgangsstoff in einem Reaktor unter einem Druck im Bereich zwischen 10 bar und 35 bar und Temperaturen im Bereich zwischen 180°C und 240°C dehydratisiert und karbonisiert, wobei am Reaktorausgang dann ein Kohleschlamm entnommen werden kann. In diesem Kohleschlamm sind Kohlepartikel enthalten, die durch einen Trocknungs- und/oder

Entwässerungsprozess dem Kohleschlamm entzogen werden können. Diese nach dem Trocknungs- und/oder Entwässerungsprozess erhaltenen

Kohlepartikel ergeben einen Kohlestaub, der nahezu den gesamten

Kohlenstoff der verarbeiteten Biomasse enthält und einen Brennwert im Wesentlichen gleich dem Brennwert von fossiler Braunkohle aufweist. Die hydrothermale Karbonisierung ist eine exotherme Reaktion, d.h. beim Dehydratations- und Karbonisierungsprozess wird Reaktionsenergie in Form von Wärme freigesetzt Nachteilig bei dem Prozess ist, dass sich Biomasse oder während des Prozesses der hydrothermalen Karbonisierung entstehende

Zwischenprodukte an der Wandung des Reaktors anlagern und dadurch sich mit der Zeit eine unerwünschte Verkrustung der Reaktorwandung einstellt. Diese Verkrustung muss nach einer gewissen Zeit händisch entfernt werden, was eine vollkommene Stilllegung der gesamten Anlage und eine

vollständige Entleerung des Reaktors bedingt

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse aufzuzeigen, die eine

Anhaftung der Biomasse oder der Zwischenprodukte wirksam verhindert. Die Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des unabhängigen

Patentanspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Der wesentliche Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die einen Reaktor mit einer Reaktorwandung aufweist, in dem die Biomasse dehydratisiert und karbonisiert wird, besteht darin, dass der Reaktor innenseitig an der Reaktorwandung zumindest abschnittsweise eine

Beschichtung aufweist, die ein Anhaften der Biomasse oder der

Prozesszwischenprodukte verhindert. Die Beschichtung bewirkt dabei, dass die Reaktorwandung im Vergleich zum unbeschichteten Zustand verbesserte Gleiteigenschaften aufweist und dadurch eine Anhaftung verhindert wird. Die Reaktorwandung kann hierbei insbesondere an den Bereichen beschichtet sein, in denen sich während des Karbonisierungsprozesses schwerkraftbedingt Biomasse bzw. Prozesszwischenprodukte befinden. Dies ist insbesondere der untere und mittlere Bereich des Reaktors. Bevorzugt ist jedoch die gesamte Reaktorwandung innenseitig beschichtet.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Reaktor in seinem Innenraum einen Wärmetauscher, der zur Durchleitung von Rauchgasen oder Wasserdampf ausgebildet ist Dieser Wärmetauscher, der zur Temperierung des Reaktorinhalts dient, weist ebenfalls eine Beschichtung auf, die ein Anhaften der Biomasse verhindert. Insbesondere bei

Wärmetauschern ist es nötig, dass diese an den Stellen, an denen der Wärmeaustausch stattfindet, d.h. beispielsweise den Wärmetauscherrohren, keine Verkrustungen aufweisen, da dadurch der Wärmeaustausch verschlechtert wird. Die Beschichtung des Wärmetauschers mit einem Material mit hohen Gleiteigenschaften verhindert diese Anhaftung wirksam.

Besonders bevorzugt sind sämtliche im Reaktor enthaltenen Elemente mit der Beschichtung versehen. Derartige weitere Elemente können

beispielsweise Leitbleche, Rohrleitungen etc. sein. Dadurch kann die Anhaftung von Biomasse und/oder Zwischenprodukten an sämtlichen, im Reaktorinnenraum vorgesehenen Elementen verhindert werden. In einem weiteren bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel ist eine

Vorwärmeinrichtung zur Erwärmung der dem Reaktor zugeführten Biomasse vorgesehen, die durch eine Wandung zumindest umfangsseitig und unterseitig begrenzt wird. Bevorzugt ist die Vorwärmeinrichtung eine druckfest verschlieSbare Kammer. Vorzugsweise ist die Wandung der Vorwärmeinrichtung innenseitig ebenfalls beschichtet ausgebildet, so dass auch dort eine Anhaftung der Biomasse wirksam verhindert werden kann.

Besonders bevorzugt wird die Beschichtung durch eine Materialschicht aus Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet Polytetrafluorethylen weist

hervorragende Gleiteigenschaften auf und ist resistent gegen aggressive Chemikalien oder Lösungsmittel. Ferner ist Polytetrafluorethylen dauerhaft hitzebeständig bis 260°C, so dass die zur hydrothermalen Karbonisierung benötigten Temperaturen zwischen 180°C und 240°C die Beschichtung nicht zerstören oder schädigen. Besonders bevorzugt weist die Beschichtung eine Dicke von 15-20//m auf. Bei dieser Schichtdicke kann eine beständige Beschichtung insbesondere bei Verwendung von Polytetrafluorethylen (PTFE) als Beschichtungsmaterial erreicht werden. Besonders bevorzugt wird ein kondens wasserbeständiges und ein gegen hohe Temperaturunterschiede an den Rohrelementen des Wärmetauschers beständiges Polytetrafluorethylen verwendet.

Der Ausdruck _» im Wesentlichen" bedeutet im Sinne der Erfindung

Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung des

Ausführungsbeispiels und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger

Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur

hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse mit einem einzelnen Reaktor in einer schematischen Darstellung; Fig. 2 beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur

hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse mit mehreren kaskadierten Reaktoren in einer schematischen Darstellung. In den Figuren 1 und 2 sind mit dem Bezugszeichen 1 Anlagen zur hydrothermalen Karbonisierung (HTC) gezeigt. Die Anlage 1 ist hierbei zum Durchführen eines HTC-Verfahrens als Durchlaufverfahren ausgebildet, d.h., dass die Anlage 1 einen kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Betrieb beim Einbringen der Biomasse in den Reaktor bzw. bei der Entnahme der Kohle aus dem Reaktor 5, 5' ermöglicht, ohne dass der

Karbonisierungsprozess im Reaktorinnenraum vollständig unterbrochen werden würde. Die in der Anlage 1 verarbeitete Biomasse, die insbesondere trockene Biomasse mit einem Trockengehalt 2s 30% sein kann, wird an einer

Biomasseaufgabe 2 in die Anlage 1 eingebracht und mittels einer

Fördereinrichtung 3 gesteuert bzw. zeitlich intermittierend der

Vorwärmeinrichtung 4 zugeführt. Die Fördereinrichtung 3 kann hierbei eine Förderschnecke, ein Förderband, ein Schubbodenförderer oder bei Biomasse mit hohem Wasseranteil auch eine Pumpe sein. In der Vorwärmeinrichtung 4, die vorzugsweise ein druckfester, abgesehen von den Zu- und

Ableitungen geschlossener Behälter ist, wird die Biomasse erwärmt, und zwar durch unmittelbares Einbringen des Dehydratwassers in die Biomasse und durch Vermischen des Dehydratwassers mit der Biomasse, wobei das Dehydratwasser zumindest teilweise durch Dehydratation im Reaktor 5, 5' entsteht. Dieses Wasser weist eine Temperatur im Bereich zwischen 180°C und 240°C auf und kann aufgrund seiner hohen spezifischen Masse optimal für einen Wärmeeintrag in die zuvor zu erwärmende Biomasse verwendet werden. Beim Zuführen des Dehydratwassers ist vorzugsweise die

Vorwärmeinrichtung 4 druckdicht verschlossen. Die Wartdung der

Vorwärmeinrichtung 4 weist vorzugsweise eine Antihaft-Beschichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) auf. Zur Entnahme des Dehydratwassers aus dem Reaktor 5, 5' ist vorzugsweise in zwischen dem oberen und dem unteren Reaktorabschnitt 5a, 5a', 5c, 5c' liegenden mittleren Reaktorabschnitt 5b, 5b' eine Entnahmeeinrichtung 5.1 , 5.1 ' vorgesehen, über die das Dehvdratwasser vorzugsweise über zumindest ein Ventil gesteuert entzogen werden kann und über eine unmittelbare fluidische Verbindung der Vorwärmeinrichtung 4 zugeführt werden kann.

Nach der zumindest teilweisen Vorwärmung der Biomasse wird

vorzugsweise der Druck innerhalb der Vorwärmeinrichtung 4, der bereits durch die Zuführung des Dehydratwassers angestiegen ist, auf einen Druck zumindest gleich dem Druck im Inneren des Reaktors 5 erhöht, wobei Drücke von 10 bar bis 33 bar bevorzugt sind. Die Druckerhöhung erfolgt mittels eines Druckerzeugers 9 oder einem mit dem Druckerzeuger 9 gekoppelten Druckspeicher. Nach der Erhöhung des Drucks in der

Vorwärmeinrichtung 4 wird die vorgewärmte Biomasse bzw. das Gemisch der Biomasse mit dem Dehvdratwasser über den Einlass 5.2 dem Reaktor 5 zugeführt Für den Fall, dass in der Vorwärmeinrichtung 4 der gleiche Druck wie im Reaktor 5 vorherrscht, wird die Biomasse schwerkraftbedingt in den Reaktor 5 eingebracht. Bevorzugt ist eine Erhöhung des Drucks in der Vorwärmeinrichtung 4 über den Druck im Reaktor 5, sodass ein Verstopfen des Auslasses der Vorwärmeinrichtung 4 bzw. des Einlasses 5.2 des Reaktors 5 wirksam vermieden wird.

Nach dem Einbringen der Biomasse in den Reaktor 5 wird diese Biomasse der hydrothermalen Karbonisierung unterzogen, wobei aus der Biomasse in dem Dehydratationsprozess Wassermoleküle abgespalten werden und dabei Kohlepartikel entstehen, die sich im unteren Reaktorabschnitt 5a ablagern. Zur Verhinderung von Ablagerungen an der Wandung des Reaktors 5, 5' weist dieser innenseitig zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) auf. Zur Erhöhung der Durchsatzrate der verarbeitbaren Biomasse ist es möglich, die Prozessstufen, die zur Karbonisierung der Biomasse führen, in mehreren, kaskadiert angeordneten Reaktoren 5, 5' zu vollziehen (Fig. 2). Hierbei ist der Auslass 5.3 des ersten Reaktors 5 mit dem Einlass 5.2' des zumindest einen weiteren Reaktors 5' verbunden, sodass ein erster

arbonisierungsteilprozess in dem ersten Reaktor 5 und ein weiterer

Karbonisierungsteilprozess in dem zumindest einen weiteren Reaktor 5' vollzogen wird. Bei einer derart kaskadierten Anordnung der Reaktoren 5, 5' erfolgt die ausschließliche Entnahme des Kohleschlamms an dem Auslass 5.3' des weiteren Reaktors 5'. Ferner ist an dem zumindest einen weiteren Reaktor 5' ebenfalls eine

Entnahmeeinrichtung 5.1 ' für Dehydratwasser vorgesehen, das ebenfalls der Vorwärmeinrichtung 4 zum Wärmeeintrag in die Biomasse zugeführt wird.

Bevorzugt werden der in den Reaktor eingebrachten Biomasse ebenfalls Katalysatoren beigefügt, die eine Versäuerung bzw. Alkalisierung der Biomasse bewirken, wobei durch den Grad der Zugabe derartiger

Katalysatoren die Struktur der entstehenden Kohlepartikel bestimmt wird. Ferner kann durch geeignete Zugabe von Katalysatoren der

Karbonisierungsprozess beschleunigt werden. Aus dem Auslass 5.3 des Reaktors 5, bzw. dem Auslass 5.3' des weiteren Reaktors 5' bei kaskadierten Reaktoren 5, 5' wird ein wässriger Kohleschlamm entnommen, der zur Restwärmeausnutzung über einen Wärmetauscher 10 geführt wird. Über den Wärmetauscher 10 wird dabei dem Kohleschlamm zumindest teilweise die darin enthaltende Wärmeenergie entzogen. Diese Wärmeenergie wird einem Wärmespeicher 1 1 zugeführt, sodass der als Zwischenpuffer für die entzogene Wärmeenergie fungiert.

Oer Kohleschlamm wird ferner über eine Filtereinrichtung 8 geführt, die vorzugsweise dem Wärmetauscher 10 nachgeschaltet vorgesehen ist, sodass der bereits zumindest größtenteils abgekühlte Kohleschlamm die

Filtereinrichtung 8 durchfließt und dabei die im Kohleschlamm enthaltenden Fremdstoffe abgeschieden werden. Derartige Fremdstoffe können in der Biomasse enthaltene Kunststoffe, Metalle etc. sein. Vorzugsweise ist eine weitere Fremdstoffsortierung im Bereich der Biomasseaufgabe 2 oder der Fördereinrichtung 3 vorgesehen, mittels der grobe Fremdstoffe aus der zu verarbeitenden Biomasse aussortiert werden. Der durch die Filtereinrichtung 8 gefilterte Kohleschlamm wird einer Trocknungs- und

Entwässerungseinrichtung 12 zugeführt, in der der Kohleschlamm in staubförmige Kohlepartikel bzw. in Kohlestaub umgewandelt wird. Dieser Kohlestaub kann entweder direkt in ein Vorratslager eingeblasen oder einer Pelletiereinrichtung zugeführt werden, in der die Kohlepartikel durch

Zugabe von Stärke, insbesondere von Mais und oder Kartoffelstärke vernetzt und in Pellets verpresst wird.

Die beim Entwässerungsvorgang entstehende Flüssigkeit kann abhängig von der verwendeten Biomasse entweder direkt als Dünger verwendet werden oder bei Verwendung von phosphathaltiger bzw. schwermetallhaltiger Biomasse ausgefällt und abfiltriert werden, sodass diese Phosphate und Schwermetalle zumindest größtenteils aus der Flüssigkeit entfernt werden. Ein Teil der mittels der Trocknungs- und Entwässerungseinrichtung 12 aus dem Kohlenschlamm entzogenen Flüssigkeit kann prozessintern

weiterverwendet und dem Druckerzeuger 9 zugeführt werden, sodass die Flüssigkeit zur Druckerhöhung in der Vorwärmeinrichtung 4 verwendet werden kann. Bevorzugt ist die die Anlage 1 mit einer Heizeinrichtung 13 verbunden, die beispielsweise ein Biomasseofen, ein Blockheizkraftwerk oder eine fossilen Brennstoff benutzende Heizeinrichtung sein kann. Die aus der

Heizeinrichtung 13 entstehenden Gase, insbesondere Rauchgase werden dem Reaktor 5 bzw. den Reaktoren 5, 5' über Rauchgasleitungen 13.1 zugeführt Im Inneren der Reaktoren 5, 5' ist jeweils zumindest ein

Wärmetauscher 6 vorgesehen, der insbesondere ein Rohrwärmetauscher ist und mehrere vorzugsweise vertikal angeordnete Rohrelemente 6.1 aufweist, die mit den Rauchgasleitungen 13.1 verbunden sind und vom Rauchgas durchströmt werden. Dadurch wird eine Erwärmung der im Reaktorinneren enthaltenen Biomasse bzw. Flüssigkeit bewirkt Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 6 werden die Rauchgase aus den Reaktoren 5, 5' geführt und vorzugsweise einem Wärmetauscher 7 zugeführt, mittels dem dem Rauchgas Restwärmeenergie entzogen wird und dem Wärmespeicher 11 zugeführt wird. Um Ablagerungen von Biomasse oder

Prozesszwischenprodukten an dem Wärmetauscher zu verhindern, weist dieser ebenfalls eine Antihaft-Beschichtung auf, die ebenfalls aus

Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet sein kann.

Bevorzugt ist in den Rauchgasleitungen 13.1 zwischen der Heizeinrichtung 13 und den Reaktoren 5, 5' eine Mischeinrichtung vorgesehen, die eine Vermischung des Rauchgases mit einer gesteuerten Menge Kaltluft bzw. Frischluft ermöglicht. Dadurch wird die Rauchgastemperatur bzw. der Wärmeeintrag in die Reaktoren 5, 5' über den Wärmetauscher 6 gesteuert. Der benötigte Wärmeeintrag in die Reaktoren 5, 5' hängt maßgeblich von der verwendeten Biomasse bzw. dem Trockenanteil dieser Biomasse ab, wobei Biomasse mit einem höheren Trockenanteil einen geringeren

Wärmeeintrag benötigt als Biomasse mit einem erhöhten Trockenanteil. Durch die gesteuerte Zuführung von Rauchgas kann dem jeweiligen benötigten Wärmebedarf abhängig von der bearbeiteten Biomasse Rechnung getragen werden.

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Modifikationen und

Änderungen möglich sind, ohne dass hierdurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.