Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Pflanzenkohle sowie mit diesem Verfahren hergestellte Pflanzenkohle

Beschreibung

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Pflanzenkohle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Pflanzenkohle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE 44 13 668 AI bekannt. Dieser Reaktor ist Teil einer Anlage zur Strom- und Wärmeversorgung, die zur Herstellung von Synthesegas dient, welches einem Verbrennungsmotor zugeführt wird, der mit einer

Elektromotor/Generator-Einheit zur Erzeugung elektrischer Energie zusammenwirkt. Die heißen Abgase des Verbrennungsmotors werden zur Beheizung des Reaktors über ein im Inneren des Reaktors von unten nach oben verlaufende Heizrohrwendel geführt. Die anfallende Holzkohle wird dem Reaktor als Nebenprodukt entnommen und ist nicht näher beschrieben. Bei dieser Anordnung kann die Temperatur im Inneren des Reaktors nicht zuverlässig kontrolliert und auf einem vorbestimmten konstanten Niveau gehalten werden.

Ein herkömmlicher Wanderbettreaktor ist bspw. in der DE 2005 038 135 B3 beschrieben. Die Beheizung des Reaktors erfolgt durch herkömmliche Verbrennung eines Teils der Biomasse über einem Gitterrost. Mit dieser Vorrichtung bzw. diesem Verfahren kann Holzkohle mit einem Kohlenstoffgehalt von lediglich bis zu 85 Gew.-% erzeugt werden.

Zunehmend wird Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung und Tierernährung, aber auch zur Verwendung als Lebensmittelfarbstoff El 53 (mit einem Kohlenstoffgehalt von 95%) nachgefragt. Als Vorbild dient die Erforschung der sog.„Terra preta" im Amazonasgebiet. Dabei handelt es sich um einen anthropogenen, also von Menschenhand geschaffenen Boden, der sich vor allem durch seinen hohen Gehalt an Pflanzenkohle sowie durch seine Fähigkeit zur Speicherung hoher Nährstoffmengen auszeichnet. Damit wirkt die Terra preta als natürlicher Bodenverbesserer, d.h. dieser Boden ist fruchtbarer als andere Wald- und

Ackerböden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur effizienten und wirtschaftlichen Herstellung von Pflanzenkohle bereitzustellen.

Die Lösung besteht zum Einen in einer Weiterentwicklung der gattungsgemäßen Vorrichtung dahingehend, dass die Heizeinrichtung als mindestens ein innerhalb des Reaktors vertikal angeordneter Heizstab ausgebildet ist. Die Lösung besteht zum Anderen in einem Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen mindestens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; b) Befüllen des mindestens einen Reaktors mit Biomasse mittels der

Zuführvorrichtung; c) Erhitzen des mindestens einen Heizstabes auf mindestens 700°C unter Sauerstoffabschluss und pyrolytische Umsetzung der Biomasse zu Pflanzenkohle; d) kontinuierliche Entnahme der Pflanzenkohle in einer definierten Menge pro Zeiteinheit durch die Entnahmevorrichtung bei gleichzeitiger kontinuierlicher Zufuhr von Biomasse in einer definierten Menge pro Zeiteinheit durch die Zuführvorrichtung und gleichzeitiger

kontinuierlicher Ausleitung des entstehenden Pyrolysegases durch die Ausleiteinrichtung.

Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber herkömmlichen Wanderbettreaktoren zuverlässig, effizient und wirtschaftlich Pflanzenkohle hoher Qualität (je nach

Verfahrensfuhrung mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 95 Gew.-%) erzeugt werden kann.

Es wurde herausgefunden, dass pro Tonne erzeugter Pflanzenkohle etwa 1/3 weniger

Biomasse als Ausgangsstoff benötigt wird als bei herkömmlichen Wanderbettreaktoren und dass die Beheizung durch mindestens einen innenliegenden Heizstab besonders energiesparend ist. Auch wird zur Erzeugung derselben Menge Pflanzenkohle nur ein Bruchteil der Betriebszeit von herkömmlichen Wanderbettreaktoren benötigt. Alle diese Faktoren machen das erfindungsgemäße Verfahren besonders effizient und wirtschaftlich, so dass die Pflanzenkohle in industriellem Maßstab erzeugt und zu konkurrenzfähigen Preisen vermarktet werden kann.

Schlussendlich fallen schädliche Nebenprodukte wie bspw. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe in geringeren Konzentrationen an als bei herkömmlichen

Wanderbettreaktoren.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr mögliche wirtschaftliche Herstellung großer Mengen von Pflanzenkohle in industriellem Maßstab eröffnete vielfältige neue Möglichkeiten insbesondere im Bereich Umwelt- und Naturschutz.

Seit der Nutzung fossiler Energieträger wie Erdgas, Erdöl, Braun- und Steinkohle steigt die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre stetig an. Die Folge ist einerseits eine Erhöhung der globalen Temperaturen, andererseits eine spontan erfolgende Begrünung von Wald- und Ackerflächen, da der Pflanzenwelt mehr Kohlendioxid für ihr Wachstum und ihre Entwicklung zur Verfügung steht. Grundsätzlich ist es denkbar, die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre durch zusätzliche anthropogene intensive Begrünung von Wald- und Ackerboden wirksam zu reduzieren. Diesen Begrünungsmaßnahmen ist allerdings dadurch eine Grenze gesetzt, dass viele Wald- und Ackerböden dafür nicht in ausreichendem Maße fruchtbar, d.h. mineral- und nährstoffreich, sind. Aufgrund der Beobachtung, dass die Terra preta ein fruchtbarer Boden ist, die Pflanzen und Mikroorganismen wie Bakterien und Pilzen an sich bindet, ohne dass die Pflanzenkohle aufgebraucht wird, kann wenig fruchtbarer Boden durch gezielte Anreicherung mit Pflanzenkohle fruchtbarer gemacht werden. Hierzu muss die Pflanzenkohle zunächst mit Nähr- und Mineralstoffen angereichert werden, da sie diese stark bindet und zu geringe Mengen an die Böden abgibt, um ein ausreichendes Pflanzenwachstum zu gewährleisten. Dies kann bspw. durch Mischen mit Kompost oder Verfütterung der Pflanzenkohle an Nutztiere und Verwendung des Mists dieser Tiere zur Anreicherung und Düngung der Böden geschehen. In Versuchsprojekten in Westafrika wurde die vorteilhafte Wirkung der Anreicherung von Wald- und Ackerböden mit Pflanzenkohle bereits erfolgreich erprobt.

Da für ein derartiges weltweites Projekt sehr viel Pflanzenkohle benötigt wird, können mehrere nützliche Wirkungen gleichzeitig erzielt werden: Reduzierung des

Kohlendioxidgehalts der Atmosphäre durch dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs in

Pflanzenkohle (vorzugsweise aus Agrarabfällen) bzw. in Wald- und Ackerböden; höhere landwirtschaftliche Erträge bei geringerem Bedarf an Kunstdünger durch die

Fruchtbarmachung von Ackerböden; Refinanzierung der Pflanzenkohleherstellung durch damit einhergehende höhere Gewinne aus der Landwirtschaft.

Die Verwirklichung eines solchen globalen Projekts rückt nun durch die erstmals mögliche industrielle Herstellung von Pflanzenkohle in großen Mengen gemäß der vorliegenden Erfindung in den Bereich des Möglichen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Anzahl der verwendeten Heizstäbe hängt im Wesentlichen von den Abmessungen des Reaktors ab. Vorzugsweise sind mindestens vier, besonders bevorzugt mindestens acht Heizstäbe vorgesehen, um die Biomasse effektiv auf die zur Pyrolyse notwendige Temperatur aufzuheizen.

Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, dass der mindestens eine Heizstab an der oberen Abdeckung des Reaktors befestigt angeordnet ist. Auf diese Weise wird zumindest der obere Teil des Reaktors beheizt. Im Ergebnis ist ein besonders effizienter, energiesparender kontinuierlicher Betrieb des Reaktors möglich, weil die entstandene Pflanzenkohle dem Reaktor kontinuierlich entnommen wird, die von oben kontinuierlich eingefüllte Biomasse mit der Schwerkraft entlang des mindestens einen Heizstabs nach unten in Richtung der unteren Entnahmevorrichtung wandert, dabei zu Pflanzenkohle pyrolysiert wird und nach Passieren des mindestens einen Heizstabs auf eine die gefahrlose Entnahme der

Pflanzenkohle ermöglichende Temperatur (bspw. 150°C) abkühlt.

Besonders bevorzugt entspricht die Länge 1 des mindestens einen Heizstabes im Wesentlichen der halben Höhe H des Reaktors. Unter diesen Bedingungen wird die Biomasse besonders zuverlässig zu reiner Pflanzenkohle pyrolysiert.

Zur effizienten Nutzung der bei der Pyrolyse der Biomasse freiwerdenden Energie wirkt die Ausleiteinrichtung für Pyrolysegas mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Energie zusammen. Besonders bevorzugt ist dies eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie, mit der wiederum der mindestens eine Heizstab beheizt werden kann.

Selbstverständlich können auch zwei oder mehr erfindungsgemäße Reaktoren vorgesehen sein, deren Ausleiteinrichtungen für Pyrolysegas gemeinsam mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Energie zusammenwirken. Besonders bevorzugt können deren Heizstäbe mit der erzeugten elektrischen Energie beheizt werden, so dass im Ergebnis wird ein effizienter und sparsamer Energiekreislauf erhalten.

Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zur Inbetriebnahme des Reaktors dieser in Schritt b) mit Kohle und einer darüber liegenden Lage aus Biomasse befüllt wird. Diese Maßnahme ist zweckmäßig, um zu vermeiden, dass bei der Inbetriebnahme des Reaktors Abfälle in Form von nicht oder nur teilweise in Pflanzenkohle umgewandelter Biomasse erzeugt werden.

Besonders bevorzugt wird der Reaktor in Schritt b) zu etwa 4/5 mit Kohle und zu etwa 1/5 mit Biomasse befüllt. Auf diese Weise wird bei der Inbetriebnahme des Reaktors die

Biomasse besonders zuverlässig vollständig zu Pflanzenkohle pyrolysiert. Eine Beheizung des mindestens einen Heizstabs auf mindestens 900°C führt in vorteilhafter Weise zur Entstehung von Pflanzenkohle mit einem Kohlenstoffgehalt von 95 Gew.-%.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der

Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen, in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:

Figur 1 : eine schematische Gesamtdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 2: die Vorrichtung gemäß Figur 1 in einer Darstellung im Schnitt;

Figur 3 : eine vergrößerte perspektivische Teildarstellung des oberen Bereichs der Vorrichtung gemäß der Figuren 1 und 2;

Figur 4: die Vorrichtung in einer Darstellung gemäß Figur 2 mit einer schematischen

Darstellung der Befüllung zu ihrer Inbetriebnahme gemäß dem erfindungsgemäßen

Verfahren.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen ein Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Herstellung von Pflanzenkohle aus Biomasse unter Sauerstoffausschluss. Ein im wesentlichen rohrförmiger Reaktor 11, in dem im Betrieb die Umsetzung von Biomasse zu Pflanzenkohle erfolgt, ist vertikal aufgestellt, stützt sich mittels einer Bodensäule 12 auf einer Bodenplatte 13 ab und ist mittels Stützstreben 14 in der Vertikalen gehalten. Die Stützstreben 14 greifen an der äußeren Mantelfläche des Reaktors 11 an und erstrecken sich bis zur Bodenplatte 13. Der Reaktor 1 1 weist eine obere Abdeckung 15 auf, die mit einer verschließbaren

Zuführvorrichtung 16 für Biomasse verbunden ist. Die Zuführvorrichtung 16 kann bspw. in an sich bekannter Weise eine Rohrleitung 17 mit einer innenliegenden Förderschnecke 18 zum Transport der Biomasse bspw. aus einem Vorratsbehälter aufweisen. Die Rohrleitung 17 mündet in eine in der oberen Abdeckung 15 vorgesehene Öffnung 15a, die mit einem Verschlusselement 19 verschlossen ist, um den Sauerstoffausschluss im Reaktor 1 1 zu gewährleisten.

In der oberen Abdeckung 15 des Reaktors 1 1 sind im Ausführungsbeispiel acht Heizstäbe 20 mittels außerhalb des Reaktors 1 1 vorgesehenen Montageköpfen 21 befestigt, die vertikal in den Reaktor hineinragen und mittels elektrischer Energie beheizt werden. Die Montageköpfe 21 dienen auch zur Aufnahme der elektrischen Anschlüsse (nicht dargestellt) zur Beheizung der Heizstäbe 20. Im Ausführungsbeispiel weist der Reaktor 1 1 eine Höhe H von 5 Metern und einem Durchmesser von 1 Meter auf. Die Heizstäbe 20 weisen innerhalb des Reaktors 11 eine Länge 1 von 2,5 Metern auf, so dass sie sich im Wesentlichen in der oberen Hälfte des Reaktors 1 1 erstrecken.

Unterhalb der oberen Abdeckung 15 ist in der Mantelfläche des Reaktors 1 1 in an sich bekannter Weise eine nur schematisch angedeutete Ausleiteinrichtung 22 für das bei der Umsetzung der Biomasse zu Pflanzenkohle entstehende Pyrolysegas angebracht.

Am unteren Ende des Reaktors 1 1 ist eine untere, gegen den Zutritt von Luftsauerstoff verschließbare, Entnahmevorrichtung 23 zur Entnahme der bei der Umsetzung der Biomasse entstehenden Pflanzenkohle vorgesehen. Die Pflanzenkohle kann bspw. mittels einer

Förderschnecke 24 zu einem Verschlussschieber 25 transportiert und über den

Verschlussschieber 25 entnommen werden.

Figur 4 zeigt das Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 mit einer schematisch angedeuteten Befüllung des Reaktors 1 1, um diesen in Betrieb zu nehmen. Es ist zweckmäßig, den Reaktor 11 vor Inbetriebnahme nicht vollständig mit Biomasse zu befüllen, da die Heizstäbe 20 sich im Ausführungsbeispiel nur über die obere Hälfte des Reaktors 1 1 erstrecken, so dass die untere Hälfte des Reaktors 11 nicht oder nicht ausreichend beheizt wird, so dass in diesem Bereich die Biomasse nicht oder nicht vollständig in Pflanzenkohle umgesetzt werden könnte.

Der Reaktor 1 1 wird daher zumindest bis zu den Heizstäben 20, im Ausführungsbeispiel zu 4/5, also bis etwa 1 Meter unter der oberen Abdeckung 15, mit Kohle, Holzkohle oder Pflanzenkohle 27 befüllt. Auf diese Masse wird eine etwa 1 Meter dicke Lage aus Biomasse 26 (Holzschnitzel, Holzabfälle, Agrarabfalle etc.) geschichtet. Dann werden die Heizstäbe 20 auf eine Betriebstemperatur geheizt, die ausreichend ist, um diese Lage aus Biomasse unter Sauerstoffausschluss vollständig in Pflanzenkohle umzuwandeln. Im Ausfuhrungsbeispiel beträgt diese Betriebstemperatur 900°C.

Im weiteren Verlauf des Verfahrens wird die Kohle bzw. Pflanzenkohle 27 kontinuierlich über die untere Entnahmevorrichtung 23 abgezogen. Gleichzeitig rückt die aus der Biomasse 26 entstandene Pflanzenkohle 27 nach unten in Richtung der unteren Entnahmevorrichtung 23 und neue Biomasse 26 wird über die Zuführvorrichtung 16 und die Öffnung 15a in der oberen Abdeckung 15 in den Reaktor 1 1 nachgefüllt. Dadurch entwickelt sich im laufenden Betrieb der Vorrichtung 10 ein kontinuierlicher Prozess der Herstellung von Pflanzenkohle 27 aus Biomasse, bei dem stetig eine definierte Menge pro Zeiteinheit an Pflanzenkohle 27 entnommen und dementsprechend eine definierte Menge pro Zeiteinheit an Biomasse 26 in den Reaktor 1 1 nachgefüllt wird. Diese Koordinierung kann bspw. durch entsprechende Steuerung der Förderschnecken 18, 24 vorgenommen werden.

Das bei der Herstellung von Pflanzenkohle 27 aus Biomasse 26 entstehende Pyrolysegas wird kontinuierlich über die Ausleiteinrichtung 22 aus dem Reaktor 1 1 abgezogen und in an sich bekannter Weise zur Erzeugung von Energie verwendet. Vorzugsweise kann elektrische Energie zur Beheizung der Heizstäbe 20 erzeugt werden. Im Ergebnis konnte bei einem kontinuierlichen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 über mehrere Tage Pflanzenkohle mit einem Kohlenstoffgehalt von 95 Gew.-% gewonnen werden.

Selbstverständlich ist es möglich, zwei oder mehr erfindungsgemäße Vorrichtungen 10 zu einer Reaktorbatterie zusammenzuschalten. In diesem Fall kann das anfallende Pyrolysegas gesammelt und besonders effizient zur Erzeugung elektrischer Energie, bspw. mittels einer Turbine, verwendet werden.

Liste der Bezugszeichen

10 Vorrichtung

1 1 Reaktor

12 Bodensäule

13 Bodenplatte

14 Stützstrebe

15 obere Abdeckung

15a Öffnung in 15

16 Zuführvorrichtung

17 Rohrleitung

18 Förderschnecke

19 Verschlusselement

20 Heizstäbe

21 Montageköpfe

22 Ausleiteinrichtung

23 untere Entnahmevorrichtung

24 Förderschnecke

25 Verschlussschieber

26 Biomasse

27 Kohle

H Höhe des Reaktors 1 1 1 Länge der Heizstäbe 20