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WO2014101915A1 - Verfahren sowie vorrichtung zur erzeugung von regenerativer energie aus biomasse - Google Patents

Verfahren sowie vorrichtung zur erzeugung von regenerativer energie aus biomasse Download PDF

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Publication number
WO2014101915A1
WO2014101915A1 PCT/DE2013/100393 DE2013100393W WO2014101915A1 WO 2014101915 A1 WO2014101915 A1 WO 2014101915A1 DE 2013100393 W DE2013100393 W DE 2013100393W WO 2014101915 A1 WO2014101915 A1 WO 2014101915A1
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WO
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biomass
reactor
fermenter
pretreatment
water
Prior art date
Application number
PCT/DE2013/100393
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Reichhart
Original Assignee
Thomas Reichhart
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomas Reichhart filed Critical Thomas Reichhart
Priority to EP13817644.1A priority Critical patent/EP2938729A1/de
Publication of WO2014101915A1 publication Critical patent/WO2014101915A1/de

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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a method for generating regenerative energy
  • Raw materials i. vegetable biomass and derived therefrom animal biomass and their metabolites understood, so for example, green waste, wood chips, plant and plant residues, straw, silage, agricultural residues, Textil Inc. Sewage sludge etc.
  • Processes for the production of regenerative energy from biomass are already well known.
  • methods for producing biogas, i. a methane-containing gas mixture by fermentation of biomass known.
  • biomass introduced into a biomass feed is fed via a conveyor to a fermenter, in which the fermentation of the biomass used takes place under anaerobic conditions.
  • a Nachgärer provided, which is airtight and biomass taken in addition to the further fermentation or residual fermentation from the fermenter used as a storage container for the resulting biogas.
  • the biogas obtained from the fermentation process is preferably used in a combined heat and power plant to generate electrical energy and heat energy.
  • the biogas obtained from the fermentation process is fed into the natural gas grid after treatment.
  • Hydrothermal carbonisation is a thermochemical process that simulates the natural production process of lignite. This biomass is used as starting material in a reactor dehydrated and carbonated at a pressure in the range between 10 bar and 55 bar and temperatures in the range between 1 50 ° C and 270 ° C, wherein the
  • Coal sludge contains carbon particles which can be removed from coal sludge by a drying and / or dewatering process. These coal particles obtained after the drying and / or dewatering process produce a coal dust containing almost all of the carbon of the processed biomass and having a calorific value substantially equal to the calorific value of fossil brown coal.
  • the digestate for example, at a temperature of 70 ° C for at least 1 hour.
  • the essential aspect of the process according to the invention for the production of regenerative energy by fermentation of biomass in at least one fermenter, in which the biomass is subjected to a pretreatment before being fed to the fermenter, is that the biomass is fed to a closed reactor, the biomass subsequently is pretreated under the action of heat and pressure in at least one sub-process of the hydrothermal carbonization in the reactor, the resulting pretreated biomass is removed from the reactor and fed to the at least one fermenter and then the fermentation of the pretreated biomass to produce biogas.
  • the pretreatment of the biomass in the reactor by at least one sub-process of the hydrothermal carbonization has the decisive advantage that a
  • reaction mechanisms in particular the reaction mechanisms of hydrolysis, dehydration and aromatization.
  • the process of hydrolysis results in the pulping of the cellulose contained in the biomass, whereby the gas yield can be considerably increased.
  • reaction mechanism of dehydration water molecules are split off, so that water, hereinafter referred to as dehydrated water, is released. This cleavage of dehydrated water prior to introduction into the fermenter and preferably removal of this
  • Dehydratigans separated from the pretreated biomass from the reactor causes the subsequently introduced into the fermenter, pretreated biomass has an increased dry matter. This will turn the
  • Fermenter contained biomass or contained in the fermenter biomass Reduced liquid mixture compared to conventional structurally comminuted biomass, so that the necessary stirring energy in the fermenter is reduced.
  • the biomass is pretreated in the reactor over a period of 0.5 hours to 8 hours.
  • the cumulative process of hydrothermal carbonization will undergo a variable subrange, i. the reaction mechanisms of hydrolysis, dehydration and aromatization that take place in the hydrothermal carbonization are carried out depending on the residence time.
  • a refueling time within the reactor which causes complete or mostly complete cellulosic digestion by hydrolysis.
  • the residence time in the reactor is such that at least partial dehydration of the biomass occurs.
  • the pretreatment of the biomass is carried out at a temperature between 100 ° C and 270 ° C.
  • Temperature range also a sanitation of the biomass, i. a killing of germs contained in the biomass. This can be a contribution of germs in the food chain by spreading the after the fermentation process
  • the pretreatment of the biomass takes place within the reactor at pressures between 5 bar and 55 bar, preferably in the range between 10 bar and 35 bar.
  • pressure ranges can optimal structural comminution of the biomass by the at least one sub-process of the hydrothermal carbonization carried out.
  • Pretreatment dehydration of the biomass wherein the water formed during dehydration is removed from the reactor separately from the at least partially pretreated biomass.
  • Dehydration which is a sub-process of hydrothermal carbonation, splits off water molecules from the biomass.
  • the resulting dehydrated water rises within the reactor and thus forms an upper layer in the reactor, so that when providing a removal device on the reactor,
  • the dehydrated water can be removed separately from the at least partially pretreated biomass.
  • the dry matter of the pretreated then transferred to the fermenter biomass is increased, causing the
  • Biogas yield per m 3 fermenter volume during the fermentation of the pretreated biomass is significantly increased.
  • the reactor by a passage of gases, gas mixtures and / or vapors by at least one in the
  • Heat exchanger provided in the reactor interior or heated
  • desired temperature in particular to a temperature between 100 ° C and 250 ° C to heat.
  • process of hydrothermal carbonization is an exothermic reaction process, i. Reaction energy is released in the form of heat, it may be necessary depending on different process parameters, a temperature stabilization of the reactor and thus a
  • the pretreatment process can be operated in a desired process window with desired process parameters.
  • the heat exchanger is preferably a tube heat exchanger with a plurality of vertically arranged tube elements, which are surrounded by the biomass or the biomass-liquid mixture.
  • a biogas plant is operated in conjunction with a downstream B hlockflower kr aftwerk in which by combustion of the biogas produced electrical energy or heat energy is generated.
  • the waste heat contained in the flue gas can be used for heating and / or temperature stabilization of the reactor.
  • water is used for cooling in the cogeneration plant, whereby preferably also a use of the heat energy contained in the cooling water is provided, in which the heat energy contained in the cooling water is withdrawn and removed for further use.
  • EEG Renewable Energy Sources Act
  • mixing devices may be provided which have a controlled flow
  • the admixture can be used to control the temperature of the gas or vapor passed through the heat exchanger and thus to effect a temperature control of the reactor.
  • the introduction of biomass into the reactor, the removal of pretreated biomass from the reactor and the subsequent process of fermentation of the biomass is continuous or quasi-continuous in one
  • Biomass respectively supplied or discharged on pretreated biomass, so that the residence time within the reactor is substantially greater than the introduction or removal cycles.
  • the biomass is heated prior to introduction into the reactor in a preheater.
  • the preheating of the biomass causes the reaction inside the reactor interior reaction mechanisms are not or only slightly disturbed by the continuous or quasi-continuous introduction of new biomass, since the preheating of the biomass, the pressure and temperature fluctuations in the reactor interior are minimized. This is particularly the case when the biomass is preheated to a temperature equal to or approximately equal to the temperature in the reactor interior.
  • the heating of the biomass takes place by removal of dehydration resulting hydrate water in the liquid state from the reactor, by direct supply of dehydrated water to the preheater and mixing the dehydrated water with the biomass within the preheater. Due to the fact that the water in the liquid state in comparison to steam a larger amount of
  • Dry content is achieved by mixing the biomass with the dehydrated water an improved, more uniform preheating of the biomass compared to conventionally used heat exchanger systems, since the heat exchangers when using relatively dry biomass, in particular biomass with a Dry content greater than 20%, tend to encrustation on the heat transfer surfaces and thereby decreases the efficiency of the heat exchanger.
  • the pressure in the preheater is increased to a pressure at least equal to the pressure in the reactor.
  • Pressure increase in the preheater can be omitted a pumping device, which causes a transfer of preheated biomass from the preheater in the reactor interior. Rather, a carryover can take place which is effected solely by the gravitational effect on the biomass or the mixture of biomass and dehydrated water, i. the biomass or biomass mixture is allowed to fall from the preheating arranged above the reactor in the reactor interior.
  • the invention relates to a device for generating regenerative energy by fermentation of biomass in at least one fermenter, wherein before the at least one fermenter, a reactor is provided, which for pretreatment of the biomass by at least one
  • Sub-process of hydrothermal carbonation i. Loading the biomass is formed with pressure and temperature.
  • At least part of the inner wall of the reactor and / or the entire inner wall of the reactor has a coating of a highly lubricious material.
  • This highly lubricious material may in particular be a polytetrafluoroethylene (PTFE), with a coating having a layer thickness of from 1 to 20 ⁇ m being preferred.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the coating offers the decisive advantage that the lubricity of the process intermediates or end products the reactor wall is decisively improved, so that even with prolonged continuous use of the reactor no process is negative
  • the heat exchanger in particular the tube elements of the heat exchanger with such a
  • Pipe system comprising at least one barrier means, in particular to understand a valve for closing the preheater and / or the reactor.
  • Liquid understood that contained by the biomass or admixed liquid and / or formed during the dehydration process of the biomass split off water molecules.
  • Fig. 2 shows an example of the graphical representation of in a batch experiment
  • FIG. 3 shows, by way of example, a plant according to the invention for producing regenerative plants
  • the reference numeral 1 is an inventive system for
  • the plant 1 has a biomass application 2, at which in particular dry or substantially dry biomass with a dry content> 30% is introduced and controlled by a conveyor 3 or intermittently fed to the reactor 5.
  • the conveyor 3 may in this case be a screw conveyor, a conveyor belt, a push floor conveyor or biomass with a high water content and a pump.
  • the reactor 5 is formed by a pressure-resistant container which surrounds or delimits a reactor interior 5.1 through its container walls.
  • the reactor 5 has an inlet 5.2, via which the biomass passes into the reactor interior 5.1.
  • the inlet 5.2 is provided at the top of the reactor 5.
  • the biomass fed to the reactor 5 is pretreated after introduction under the action of pressure and temperature in a thermochemical process.
  • the pressure in the interior of the reactor 5 is set to a value between 5 bar and 35 bar, preferably between 10 bar and 25 bar.
  • the temperature of the biomass in the reactor interior values between 1 00 ° C and 250 ° C,
  • the resulting aqueous biomass mixture preferably has a pH in the range of 3 to 6. Under these conditions
  • the process conditions include the process of hydrothermal carbonization, in which the process stages hydrolysis,
  • the introduction of the biomass or the application of the biomass from the reactor 5 is carried out continuously or quasi-continuously in a continuous process, which is maintained by the Einbri ning or application of 5.1 in the reactor interior vol-forming thermochemical process, i. the supplied amount of biomass or the discharged amount of pretreated biomass is dimensioned in comparison to the remaining in the reactor interior 5.1 amount of biomass that change the process parameters within the reactor 5 only insignificantly, so that the vol leaching Tei lreae the hydrothermal Carbonation in the
  • the pretreated biomass is removed at the outlet 5.3, as already mentioned above, and fed to a fermenter 6 of a biogas plant.
  • a fermenter 6 of a biogas plant In fermenter 6, at least partial fermentation of the biomass takes place under anaerobic conditions
  • the fermentation process within the fermenter 6 as
  • the secondary fermenter 7 serves for a residual fermentation of the biomass or digestate of the biomass, on the other hand as gas storage for the biogas produced within the post-fermenter 7 or in the fermenter 6.
  • the essential Vortei l the pretreatment of the biomass in the reactor 5 by at least one sub-process of hydrothermal carbonization is that the residence time of the biomass within the fermenter 6 to achieve a certain biogas yield can be significantly reduced or the biogas yield at a constant residence time in the fermenter. 6 or in the post-fermenter 7 can be significantly increased.
  • FIG. 2 shows a diagram in which the gas yield or the gas yield in NL / kg oTM (net liter per kilogram of organic dry matter) is plotted over time.
  • NL / kg oTM net liter per kilogram of organic dry matter
  • Pretreatment can significantly increase the gas yield.
  • the gas yield after 31 days of residence in the fermenter / Nachgärer only 41 9 NL / kg oTM, i. the gas yield during pretreatment by means of a sub-process of hydrothermal
  • Carbonation is already increased by more than 20% after 24 days of residence in the fermenter / postgrader. Furthermore, the length of stay within the
  • Pretreatment according to the invention are significantly reduced, since the o.g. Value of gas yield at pretreatment of biomass already at 12 days
  • the system 1 also has, in a conventional manner, a Gärresteend bearing 8, in which the digestate from the post-fermenter 7 are introduced.
  • the combustible gases produced in the fermenter or in the post-fermenter 7 are preferably taken from the gas reservoir provided in the region of the secondary fermenter and fed to a combined heat and power plant 9, by which electric current and heat are generated upon combustion of the combustible gas generated within the biogas plant.
  • the residual heat utilization of the cogeneration unit 9 is carried out by passage of the flue gas produced during combustion through a provided in the interior of the reactor 5 heat exchanger 10, the
  • the heat exchanger 10 is formed as a tube heat exchanger and has a plurality of, preferably vertically arranged pipe element 10.1, which are connected to the flue gas line 9.1 connected to the cogeneration unit 9 and thus flows through the flue gas.
  • a mixing device 9.2 is provided in the flue gas line 9.1 between the cogeneration unit 9 and the reactor 5, which is a controlled
  • Admixing a desired amount of cold air or fresh air to the flue gas allows.
  • the flue gas temperature or the heat input into the reactor 5 is controlled via the heat exchanger 10.
  • the required heat input in the reactor 5 depends largely on the biomass used or the dry fraction of this biomass, wherein biomass with a higher dry content requires less heat input, as biomass with a low dry content.
  • By the controlled supply of cold air or fresh air to the flue gas can be taken into account the respective required heat demand depending on the processed biomass.
  • a control of the temperature of the guided through the heat exchanger 10 flue gases in dependence on the respective
  • a residual heat utilization of the amount of heat contained in the flue gas> 50% is carried out by the passage of the flue gas through the heat exchanger 10, so that by a further provided
  • Residual heat in the cooling water circuit of the combined heat and power plant in which at least 10% of the waste heat generated in the cogeneration unit 9 is used, the legally required limit of at least 60% of the residual heat is reached.
  • the residual heat utilization of the cooling water is preferably carried out by the heat exchanger 1 1.
  • the inventive system 1 is shown in a higher level of detail.
  • the plant 1 has a preheating device 12 arranged between the biomass feed 2 and the reactor 5, to which the biomass feed introduced at the biomass feed 2 is fed via the conveyor 3.
  • the preheating device 12 arranged between the biomass feed 2 and the reactor 5, to which the biomass feed introduced at the biomass feed 2 is fed via the conveyor 3.
  • Preheating device 12 is preferably a pressure-resistant, apart from supply and discharge lines, closed container, which serves to preheat the biomass prior to introduction into the reactor 5. It is preferably arranged above the reactor 5, in particular directly above the inlet 5.2.
  • the preheating of the biomass has the advantage that the introduction of the biomass into the reactor 5, the temperature fluctuations are minimized within the reactor 5, and thereby the at least one sub-process of the hydrothermal carbonization within of the reactor 5 by the intermittent introduction of new biomass
  • the preheating of the biomass is preferably carried out by removal of
  • water is separated from the biomass introduced into the reactor 5 by a dehydration process, so-called dehydrated water, which is supplied to the preheating device 12 via the removal device 12.
  • dehydrated water which is supplied to the preheating device 12 via the removal device 12.
  • Within the preheating 12 preferably takes place mixing of the dehydrated water with the biomass.
  • This water has approximately the prevailing temperature in the reactor 5, i. preferably temperatures in the range of 100 ° C to 250 ° C and can be used optimally for heat input into the biomass to be heated due to its high specific mass.
  • To remove the dehydrated water in the liquid state from the reactor 5 is an immediate fluid connection between the reactor 5 and the
  • Preheating device 12 is provided, via which the dehydrated water can be withdrawn from the reactor 5, preferably controlled by at least one valve.
  • this is preferably closed pressure-tight, so that upon supply of the pressurized
  • Dehydratigans the pressure inside the preheater 12 is increased.
  • the pressure within the preheater 12 is increased above the pressure prevailing in the reactor 5. This pressure increase can take place, for example, by means of a pressure generator or a pressure accumulator coupled to the pressure generator.
  • Dehydrated water is fed via the inlet 5.2 to the reactor 5.
  • the biomass is introduced into the reactor 5 due to gravity.
  • Preference is given to an increase in the pressure in the preheating 12 on the pressure in the reactor 5, so that clogging of the outlet of the preheater 12 and the

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Abstract

Verfahren zur Erzeugung von regenerativer Energie durch Vergärung von Biomasse in zumindest einem Fermenter (6), wobei die Biomasse vor der Zuführung zu dem Fermenter (6) einer Vorbehandlung unterzogen wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Zuführung der Biomasse zu einem geschlossenen Reaktor (5); - Vorbehandlung der Biomasse unter Einwirkung von Wärme und Druck in zumindest einem Teilprozess der hydrothermalen Karbonisierung in dem Reaktor (5); - Zuführung der vorbehandelten Biomasse zum Fermenter (6); und - Vergärung der vorbehandelten Biomasse zur Erzeugung von Biogas.

Description

Verfahren sowie Vorrichtung zur Erzeugung von regenerativer Energie aus Biomasse
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung regenerativer Energie aus
Biomasse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung regenerativer Energie aus Biomasse gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 10.
Unter Biomasse im Sinne der Erfindung werden 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, Papierbzw. Klärschlämme etc.. Verfahren zur Erzeugung von regenerativer Energie aus Biomasse sind bereits hinlänglich bekannt. Insbesondere sind Verfahren zur Erzeugung von Biogas, d.h. eines methanhaltigen Gasgemisches durch Vergärung von Biomasse bekannt. Dabei wird an einer Biomasseaufgabe eingebrachte Biomasse über eine Fördereinrichtung einem Fermenter zugeführt, in dem unter anaeroben Bedingungen die Vergärung der eingesetzten Biomasse erfolgt. Zumeist ist nach dem zumindest einen Fermenter ein Nachgärer vorgesehen, der luftdicht abgeschlossen ist und neben der weiteren Vergärung bzw. Restvergärung aus dem Fermenter entnommenen Biomasse als Lagerbehälter für das entstehende Biogas dient. Das aus dem Gärprozess erhaltende Biogas wird vorzugsweise in einem Blockheizkraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärmeenergie genutzt. In einer weiteren Anwendung wird das aus dem Gärprozess erhaltende Biogas nach einer Aufbereitung in das Erdgasnetz eingespeist.
Ferner sind aus dem Stand der Technik bereits Verfahren zur hydrothermalen
Karbonisierung von Biomasse bekannt. Die hydrothermale Karbonisierung ist ein thermochemischer Prozess und bildet den natürlichen Entsteh ungsprozess von Braunkohle nach. Dabei wird Biomasse als Ausgangsstoff in einem Reaktor unter einem Druck im Bereich zwischen 10 bar und 55 bar und Temperaturen im Bereich zwischen 1 50°C und 270°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.
Zur Steigerung des Biogasertrags in Biogasanlagen ist ferner bekannt, die eingesetzte Biomasse vorzubehandeln und dabei in ihrer Struktur zu zerkleinern. Hierzu werden insbesondere Vorrichtungen eingesetzt, die mechanisch die Biomasse zerkleinern, beispielsweise Hammermühlen, Hächsler, Extruder oder ähnliches. Ferner ist bekannt, die zu vergärende Biomasse vor dem Gärprozess oder die nach dem
Vergärungsprozess entstehenden Gärreste unter Temperatureinwirkung zu
hygienisieren, um die in der Biomasse bzw. den Gärresten enthaltene Keime abzutöten und damit das Gesundheitsrisiko für den Menschen durch Ausbringen der Gärreste auf landwirtschaftlichen Flächen und damit die Eintragung der in den Gärresten enthaltenen Keime in die Lebensmittel kette zu unterbinden. Dabei werden die Gärreste beispielsweise bei einer Temperatur von 70°C mindestens 1 Std.
hygienisiert.
Nachteilig an der bekannten Vorbehandlung der Biomasse ist, dass die
Strukturzerkleinerung nur unzureichend erfolgt und damit der Biogasertrag nur geringfügig gesteigert werden kann. Ferner bedarf die Biomassevorbehandlung bzw. die Hygienisierung der Gärreste erheblicher Energie, sodass der die Energiebilanz der Gesamtanlage verschlechtert wird. Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine
Vorrichtung zur Erzeugung von regenerativer Energie aus Biomasse anzugeben, die die vorgenannten Nachteile überwindet. Die Aufgabe wird ausgehend von den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 1 0 jeweils durch deren kennzeichnende Merkmale gelöst.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von regenerativer Energie durch Vergärung von Biomasse in zumindest einem Fermenter, bei dem die Biomasse vor der Zuführung zu dem Fermenter einer Vorbehandlung unterzogen wird, besteht darin, dass die Biomasse einem geschlossenen Reaktor zugeführt wird, die Biomasse anschließend unter Einwirkung von Wärme und Druck in zumindest einem Teilprozess der hydrothermalen Karbonisierung in dem Reaktor vorbehandelt wird, die dadurch entstehende vorbehandelte Biomasse vom Reaktor entnommen und dem zumindest einen Fermenter zugeführt wird und anschließend die Vergärung der vorbehandelten Biomasse zur Erzeugung von Biogas erfolgt. Die Vorbehandlung der Biomasse in dem Reaktor durch zumindest einen Teilprozess der hydrothermalen Karbonisierung birgt den entscheidenden Vorteil, dass eine
Strukturverkleinerung der Biomasse ohne mechanischen Aufwand, beispielweise durch Hächsler, Hammermühlen, Extruder oder ähnliches erforderlich ist. Während des Prozesses der hydrothermalen Karbonisierung laufen mehrere
Reaktionsmechanismen ab, insbesondere die Reaktionsmechanismen der Hydrolyse, Dehydratisierung und Aromatisierung. Durch den Prozess der Hydrolyse erfolgt ein Aufschluss der in der Biomasse enthaltenen Zellulose, wodurch der Gasertrag erheblich gesteigert werden kann. Ferner werden durch den Reaktionsmechanismus der Dehydratisierung Wassermolekühle abgespalten, sodass Wasser, nachfolgend als Dehydratwasser bezeichnet, freigesetzt wird. Diese Abspaltung von Dehydratwasser vor der Einbringung in den Fermenter und vorzugsweise Entnahme dieses
Dehydratwassers aus dem Reaktor getrennt von der vorbehandelten Biomasse bewirkt, dass die in den Fermenter anschließend eingebrachte, vorbehandelte Biomasse eine erhöhte Trockenmasse aufweist. Dadurch wird wiederum der
Gasertrag bei der Biogaserzeugung deutlich gesteigert. Des Weiteren wird durch die Vorbehandlung der Biomasse durch den zumindest einen Teilprozess der
hydrothermalen Karbonisierung die Plastizität bzw. Strukturviskosität der im
Fermenter enthaltenen Biomasse bzw. dem im Fermenter enthaltenen Biomasse- Flüssigkeitsgemisch gegenüber herkömmlich strukturzerkleinerter Biomasse reduziert, sodass die im Fermenter notwendige Rührenergie reduziert wird.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Biomasse über eine Zeitdauer von 0,5 Stunden bis 8 Stunden im Reaktor vorbehandelt. Abhängig von der Verweildauer der Biomasse im Reaktor wird der sich vollziehende Prozess der hydrothermalen Karbonisierung in einem variablen Teilbereich durchlaufen, d.h. die bei der hydrothermalen Karbonisierung sich vollziehenden Reaktionsmechanismen der Hydrolyse, Dehydratisierung und Aromatisierung werden abhängig von der Verweildauer durchlaufen. Bevorzugt ist eine Verwei ldauer innerhalb des Reaktors, die einen vollständigen oder größtenteils vollständigen Zelluloseaufschluss durch Hydrolyse bewirkt. Weiterhin vorzugsweise wird die Verweildauer im Reaktor derart bemessen, dass zumindest eine teilweise Dehydratisierung der Biomasse erfolgt. Dadurch kann, wie zuvor bereits erwähnt, nach Abscheidung des entstehenden Dehydratwassers die im Fermenter eingebrachte Trockenmasse der Biomasse erhöht werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Vorbehandlung der Biomasse bei einer Temperatur zwischen 100°C und 270°C. Besonders bevorzugt sind
Temperaturen im Bereich zwischen 1 50°C und 250°C, insbesondere Temperaturen zwischen 1 80°C und 240°C. Innerhalb dieser Temperaturbereiche kann eine Vorbehandlung der Biomasse durch zumindest einen Teilprozess der
hydrothermalen Karbonisierung erfolgen. Vorteilhaft erfolgt innerhalb dieses
Temperaturbereichs auch eine Hygienisierung der Biomasse, d.h. eine Abtötung von in der Biomasse enthaltenen Keimen. Dadurch kann eine Einbringung von Keimen in die Lebensmittel kette durch Ausbringen der nach dem Vergär ungs prozess
entstehenden Gärreste auf landwirtschaftliche Flächen wirksam vermieden werden.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Vorbehandlung der Biomasse innerhalb des Reaktors bei Drücken zwischen 5 bar und 55 bar, bevorzugt im Bereich zwischen 10 bar und 35 bar. In den genannten Druckbereichen kann eine optimale Strukturzerkleinerung der Biomasse durch den zumindest einen Teilprozess der hydrothermalen Karbonisierung erfolgen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt durch die
Vorbehandlung eine Dehydratation der Biomasse, wobei das bei der Dehydratation entstehende Wasser getrennt von der zumindest teilweise vorbehandelten Biomasse aus dem Reaktor entnommen wird. Bei dem Reaktionsmechanismus der
Dehydratation, der einen Teilprozess der hydrothermalen Karbonisierung darstellt, werden Wassermoleküle von der Biomasse abgespalten. Das dadurch entstehende Dehydratwasser steigt innerhalb des Reaktors auf und bildet damit eine obere Schicht im Reaktor, sodass bei Vorsehen einer Entnahmeeinrichtung am Reaktor,
beispielsweise in der oberen Hälfte des Reaktors, das Dehydratwasser getrennt von der zumindest teilweise vorbehandelten Biomasse entnommen werden kann. Durch die Abspaltung des Dehydratwasser s wird die Trockenmasse der vorbehandelten, anschließend in den Fermenter überführten Biomasse erhöht, wodurch der
Biogasertrag pro m3 Fermentervolumen bei der Vergärung der vorbehandelten Biomasse entscheidend erhöht wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Reaktor durch eine Durchleitung von Gasen, Gasgemischen und/oder Dämpfen durch zumindest einen im
Reaktorinnenraum vorgesehenen Wärmetauscher aufgeheizt oder
temperaturstabilisiert. Bei Prozessbeginn ist es nötig, den Reaktor auf eine
gewünschte Temperatur, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 100°C und 250°C aufzuheizen. Obwohl der Prozess der hydrothermalen Karbonisierung ein exothermer Reaktionsprozess ist, d.h. Reaktionsenergie in Form von Wärme freigesetzt wird, kann es abhängig von unterschiedlichen Prozessparametern notwendig sein, eine Temperaturstabilisierung des Reaktors und damit eine
Prozesssteuerung zu erreichen. Dadurch kann der Vorbehandlungsprozess in einem gewünschten Prozessfenster mit gewünschten Prozessparametern betrieben werden.
Bevorzugt erfolgt die Aufheizung und/oder Temperaturstabilisierung des Reaktors durch eine Durchleitung von Rauchgasen durch den Wärmetauscher, wobei die Rauchgase bei der Verbrennung des Biogases zur Erzeugung von elektrischer Energie entstehen. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise ein Rohrwärmetauscher mit mehreren vertikal angeordneten Rohrelementen, die von der Biomasse bzw. dem Biomasse-Flüssigkeitsgemisch umgeben sind. Vorzugsweise wird eine Biogasanlage in Verbindung mit einem nachgeschalteten B lockheiz kr aftwerk betrieben, bei dem durch Verbrennung des erzeugten Biogases elektrische Energie bzw. Wärmeenergie erzeugt wird. Durch die Durchleitung von beim Verbrennungsprozess im
Blockheizkraftwerk entstehenden Rauchgasen durch den Wärmetauscher kann die im Rauchgas enthaltene Abwärme zur Aufheizung und/oder Temperaturstabilisierung des Reaktors verwendet werden.
Vorzugsweise wird im Blockheizkraftwerk Wasser zu Kühlung verwendet, wobei ebenfalls vorzugsweise eine Nutzung der im Kühlwasser enthaltenen Wärmeenergie vorgesehen ist, bei der die im Kühlwasser enthaltene Wärmeenergie entzogen und zur weiteren Nutzung abgeführt wird. Dadurch können gesetzliche Vorgaben, insbesondere Vorgaben des erneuerbaren Energiengesetzes (EEG) erfüllt werden. Zur Steuerung der Temperatur des durch den Wärmetauscher geleiteten Gases oder Dampfes können Mischeinrichtungen vorgesehen sein, die eine gesteuerte
Beimischung eines gewünschten Anteils an Frisch- bzw. Kaltluft zu dem Rauchgas bzw. Dampf bewirken. Durch die Beimischung kann die Temperatur des durch den Wärmetauscher geleiteten Gases oder Dampfes geregelt werden und damit eine Temperatursteuerung des Reaktors bewirkt werden.
Vorzugsweise wird die Einbringung von Biomasse in den Reaktor, die Entnahme von vorbehandelter Biomasse aus dem Reaktor und der anschließende Prozess der Vergärung der Biomasse kontinuierlich oder quasi kontinuierlich in einem
Durchlaufverfahren vollzogen, wobei die Zuführung von Biomasse in den Reaktor bzw. die Entnahme von vorbehandelter Biomasse aus dem Reaktor in kurz aufeinander folgenden Zeitintervallen, beispielsweise Intervallen von 5 Min. bis 30 Min., d.h. intermittierend vollzogen wird. Ebenso ist eine kontinuierliche Zuführung von Biomasse in den Reaktor bzw. eine kontinuierliche Entnahme von
vorbehandelter Biomasse möglich. Dabei wird ein im Vergleich zum gesamten im Reaktorinnenraum vorhandenen Biomassevolumen geringeres Volumen von
Biomasse jeweils zugeführt bzw. an vorbehandelter Biomasse abgeführt, sodass die Verweildauer innerhalb des Reaktors wesentlich größer ist als die Einbringungs- bzw. Entnahmezyklen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Biomasse vor der Einbringung in den Reaktor in einer Vorwärmeinrichtung erwärmt. Die Vorwärmung der Biomasse bewirkt, dass die im Reaktorinnenraum sich vollziehenden Reaktionsmechanismen durch das kontinuierliche oder quasi kontinuierliche Einbringen von neuer Biomasse nicht oder nur unwesentlich gestört werden, da durch die Vorwärmung der Biomasse die Druck- und Temperaturschwankungen im Reaktorinnenraum minimiert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Biomasse auf eine Temperatur gleich oder annähernd gleich der Temperatur im Reaktorinnenraum vorerwärmt wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Erwärmung der Biomasse durch Entnahme von durch Dehydratation entstehendem Hydratwasser im flüssigen Zustand aus dem Reaktor, durch unmittelbare Zuführung des Dehydratwassers zur Vorwärmeinrichtung und Vermischung des Dehydratwassers mit der Biomasse innerhalb der Vorwärmeinrichtung. Aufgrund der Tatsache, dass das Wasser im flüssigen Zustand im Vergleich zu Wasserdampf eine größere Menge an
Wärmeenergie pro Volumeneinheit aufweist, wird durch die Entnahme eines definierten Volumens von Dehydratwasser im flüssigen Zustand aus dem Reaktor eine größere Menge an Wärmeenergie der Vorwärmeinrichtung zugeführt als bei der Entnahme desselben Volumens an Wasserdampf. Damit muss zur Erzielung eines bestimmten Wärmeeintrags in die Biomasse ein im Vergleich zur Verwendung von Wasserdampf geringeres Volumen an Dehydratwasser entnommen werden, sodass die Reaktionsmechanismen im Reaktorinnenraum nur geringfügig beeinträchtigt werden. Insbesondere bei Verwendung von Biomasse mit einem hohen
Trockengehalt wird durch die Vermischung der Biomasse mit dem Dehydratwasser eine verbesserte, gleichmäßigere Vorwärmung der Biomasse im Vergleich zu herkömmlich verwendeten Wärmetauschersystemen erreicht, da die Wärmetauscher bei der Verwendung relativ trockener Biomasse, insbesondere Biomasse mit einem Trockengehalt größer als 20%, zur Verkrustung an den Wärmeübertragungsflächen neigen und dadurch der Wirkungsgrad der Wärmetauscher abnimmt.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird vor dem Einbringen der Biomasse in den Reaktor der Druck in der Vorwärmeinrichtung auf einen Druck zumindest gleich dem Druck im Reaktor erhöht. Durch eine derartige
Druckerhöhung in der Vorwärmeinrichtung kann eine Pumpeinrichtung entfallen, die einen Übertrag der vorwärmten Biomasse aus der Vorwärmeinrichtung in den Reaktorinnenraum bewirkt. Es kann vielmehr ein Übertrag erfolgen, der lediglich durch die Schwerkrafteinwirkung auf die Biomasse bzw. das Gemisch aus Biomasse und Dehydratwasser erfolgt, d.h. die Biomasse bzw. das genannte Biomassegemisch wird aus der oberhalb des Reaktors angeordneten Vorwärmeinrichtung in den Reaktorinnenraum fallen gelassen. Alternativ ist es möglich, den Druck in der Vorwärmeinrichtung über den Druck im Reaktorinnenraum zu erhöhen, sodass ein durch den Überdruck bewirkter Übertrag von der Vorwärmeinrichtung in den Reaktorinnenraum erfolgt. Durch einen derartigen Überdruck in der
Vorwärmeinrichtung wird eine Verstopfung des Auslasses der Vorwärmeinrichtung bzw. der Zuführöffnung des Reaktors wirksam vermieden. Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von regenerativer Energie durch Vergärung von Biomasse in zumindest einem Fermenter, wobei vor dem zumindest einem Fermenter ein Reaktor vorgesehen ist, der zur Vorbehandlung der Biomasse durch zumindest einen
Teilprozess der hydrothermalen Karbonisierung, d.h. Beaufschlagung der Biomasse mit Druck und Temperatur ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt weist zumindest ein Teil der Innenwandung des Reaktors und/oder die gesamte Innenwandung des Reaktors eine Beschichtung aus einem hochgleitfähigen Material auf. Dieses hochgleitfähige Material kann insbesondere ein Polytetrafluorethylen (PTFE) sein, wobei eine Beschichtung mit einer Schichtdicke von 1 5 bis 20 μηι bevorzugt wird. Die Beschichtung bietet den entscheidenden Vorteil, dass die Gleitfähigkeit der Prozesszwischenprodukte bzw. Endprodukte an der Reaktorwandung entscheidend verbessert wird, so dass sich auch bei längerer kontinuierlicher Benutzungsdauer des Reaktors keine den Prozess negativ
beeinflussenden Ablagerungen bilden. Insbesondere kann auch der Wärmetauscher, insbesondere die Rohrelemente des Wärmetauschers mit einer derartigen
Beschichtung aus einem hochgleitfähigen Material versehen sein. Besonders bevorzugt wird ein kondenswasserbeständiges und ein gegen hohe
Temperaturunterschiede an den Rohrelementen des Wärmetauschers beständiges Polytetrafluorethylen verwendet. Unter der unmittelbaren Zuführung des Dehydratwassers zur Vorwärmeinrichtung wird eine Zuführung beispielsweise mittels Rohrleitungen ohne weitere
Vorrichtungen, insbesondere Verdampfer zum Entspannen des Wassers, verstanden. Unter unmittelbarer Zuführung ist jedoch auch eine Rohrleitung oder ein
Rohrleitungssystem enthaltend zumindest eine Sperreinrichtung, insbesondere ein Ventil zum Verschluss der Vorwärmeinrichtung und/oder des Reaktors zu verstehen.
Unter Dehydratwasser im Sinne der Erfindung wird im Reaktor vorhandene
Flüssigkeit verstanden, die durch der Biomasse enthaltene bzw. beigemischte Flüssigkeit und/oder während des Dehydratationsprozess von der Biomasse abgespaltene Wassermoleküle gebildet wird.
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 Anlage zur Erzeugung regenerativer
Energie aus Biomasse in einer schematischen Darstel lung;
Fig. 2 beispielhaft die graphische Darstellung des in einem Batch-Versuch
ermittelten Gasertrags über der Verweildauer der Biomasse im Fermenter bei Verwendung von erfindungsgemäß vorbehandelter Biomasse; und Fig. 3 beispielhaft eine erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung regenerativer
Energie aus Biomasse mit einer Vorwärmeinrichtung in einer
schematischen Darstellung.
In Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 eine erfindungsgemäße Anlage zur
Erzeugung regenerativer Energie aus Biomasse gezeigt. Die Anlage 1 weist eine Biomasseaufgabe 2 auf, an der insbesondere trockene oder im Wesentlichen trockene Biomasse mit einem Trockengehalt > 30% eingebracht und mittels einer Fördereinrichtung 3 gesteuert bzw. zeitlich intermittierend dem Reaktor 5 zugeführt wird. Die Fördereinrichtung 3 kann hierbei eine Förderschnecke, ein Förderband, ein Schubbodenförderer oder bei Biomasse mit hohem Wasseranteil auch eine Pumpe sein.
Der Reaktor 5 wird durch einen druckfesten Behälter gebildet, der durch seine Behälterwandungen einen Reaktorinnenraum 5.1 umschließt bzw. abgrenzt. Zum Befüllen des Reaktorinnenraums mit Biomasse weist der Reaktor 5 einen Einlass 5.2 auf, über den die Biomasse in den Reaktorinnenraum 5.1 gelangt. Bevorzugt ist der Einlass 5.2 an der Oberseite des Reaktors 5 vorgesehen. Die dem Reaktor 5 zugeführte Biomasse wird nach der Einbringung unter Einwirkung von Druck- und Temperatur in einem thermochemischen Verfahren vorbehandelt. Dabei wird der Druck im Innenraum des Reaktors 5 auf einen Wert zwischen 5 bar und 35 bar, vorzugsweise zwischen 10 bar und 25 bar eingestel lt. Die Temperatur der Biomasse im Reaktorinnenraum wird dabei auf werte zwischen 1 00°C und 250°C,
vorzugsweise 1 50°C bis 250°C, besonders bevorzugt 1 80°C bis 240°C eingestellt.
Beim Einbringen der Biomasse in den Reaktor 5 erfolgt vorzugsweise eine
Vermischung derselben mit im Reaktor 5 befindlichem Wasser bzw. Biomasse- Flüssigkeitsgemisch. Die daraus entstehende wässrige Biomassemischung weist vorzugsweise einen pH-Wert im Bereich von 3 bis 6 auf. U nter diesen
Prozessbedingungen vol lzieht sich innerhalb des Reaktors 5 der Prozess der hydrothermalen Karbonisierung, bei dem durch die Prozessstufen Hydrolyse,
Dehydratisierung und Aromatisierung ein Kohlepartikel enthaltender Koh leschlamm entsteht. Vorzugsweise wird der Prozess der hydrothermalen Karbonisierung jedoch nicht vol lständig durchlaufen, sondern der Prozess nach einer Zeitdauer zwischen 0,5 Std. bis 5 Std. abgebrochen und die somit vorbehandelte Biomasse über einen Auslass 5.3 des Reaktors 5 aus dem Reaktorinnenraum 5.1 entnommen. Durch zumindest einen Tei lprozess der hydrothermalen Karbonisierung, der während der Verwei ldauer der Biomasse im Reaktor durchlaufen wird, erfolgt eine Aufspaltung der Molekularstruktur der Biomasse. Dabei wird insbesondere die in der Biomasse enthaltene Zel lulose durch einen Hydrolyseprozess isomerisiert und dabei in
Glukose bzw. Fruktose aufgespalten. Vorzugsweise erfolgt die Einbringung der Biomasse bzw. die Ausbringung der Biomasse aus dem Reaktor 5 kontinuierlich oder quasi kontinuierlich in einem Durchlaufverfahren, wobei durch die Einbri ngung bzw. Ausbringung der im Reaktorinnenraum 5.1 sich vol lziehende thermochemische Prozess aufrechterhalten wird, d.h. die zugeführte Menge an Biomasse bzw. die abgeführte Menge an vorbehandelter Biomasse ist derart im Vergleich zu der im Reaktorinnenraum 5.1 noch vorhandene Menge an Biomasse bemessen, dass sich die Prozessparameter innerhalb des Reaktors 5 nur unwesentlich ändern, sodass die sich vol lziehenden Tei lprozesse der hydrothermalen Karbonisierung im
Wesentlichen unverändert bleiben.
Bevorzugt werden im Reaktorinnenraum 5.1 durch die sich bei der hydrothermalen Karbonisierung als Reaktionsmechanismus vollziehende Dehydratation
Wassermoleküle aus der Biomasse abgespalten, d.h. innerhalb des Reaktors 5 erfolgt eine Abtrennung von Wasser. Dieses abgetrennte Wasser steigt im Reaktor 5 nach oben und wird vorzugsweise getrennt von der vorbehandelten Biomasse an einer Entnahmeöffnung 5.4 dem Reaktorinnenraum 5.1 entnommen. Dadurch wird vorteilhaft die Trockenmasse der vorbehandelten, anschließend vergärten Biomasse wesentlich erhöht.
Die vorbehandelte Biomasse wird an dem Auslass 5.3, wie oben bereits erwähnt, entnommen und einem Fermenter 6 einer Biogasanlage zugeführt. In dem Fermenter 6 erfolgt eine zumindest teilweise Vergärung der Biomasse unter anaeroben
Bedingungen, wobei durch den Vergärungsprozess Methan enthaltendes Biogas entsteht.
Vorzugsweise wird der Vergärungsprozess innerhalb des Fermenters 6 als
kontinuierlicher Gärungsprozess betrieben, wobei dem Fermenter 6 kontinuierlich oder in regelmäßigen zeitlichen Abständen vorbehandelte Biomasse aus dem Reaktor 5 zugeführt wird und die zumindest teilweise vergorene Biomasse bzw. deren Gärreste zusammen mit dem im Fermenter 6 entstehenden Biogas dem Nachgärer 7 zugeführt wird. Der Nachgärer 7 dient zum einen der Restvergärung der Biomasse bzw. der Gärreste der Biomasse, zum anderen als Gasspeicher für das innerhalb im Nachgärer 7 bzw. im Fermenter 6 entstehende Biogas.
Der wesentliche Vortei l der Vorbehandlung der Biomasse in dem Reaktor 5 durch zumindest einen Teilprozess der hydrothermalen Karbonisierung besteht darin, dass die Verweildauer der Biomasse innerhalb des Fermenters 6 zur Erreichung einer bestimmten Biogasausbeute deutlich verkürzt werden kann bzw. der Biogasertrag bei konstanter Verweildauer im Fermenter 6 bzw. im Nachgärer 7 deutlich gesteigert werden kann.
Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Gasausbeute bzw. der Gasertrag in NL/kg oTM (Nettoliter pro Kilogramm organische Trockenmasse) über der Zeit aufgetragen ist. Dabei wurde Ganzpflanzensilage der Getreidesorte Tritikale bei einer
Verweildauer von 1 Stunde in dem Reaktor 5 vorbehandelt und zwar beispielsweise bei einer Temperatur von 200°C und einem Druck von 1 6 bar. Durch die
Vorbehandlung kann der Gasertrag erheblich gesteigert werden. Bei Verwendung von Ganzpflanzensilage der Getreidesorte Tritikale ohne Vorbehandlung mittels einem Teilprozess der hydrothermalen Karbonisierung beträgt die Gasausbeute nach 31 Tagen Verweildauer im Fermenter/Nachgärer lediglich 41 9 NL/kg oTM, d.h. der Gasertrag bei Vorbehandlung mittels einem Teilprozess der hydrothermalen
Karbonisierung ist schon bei 24 Tagen Verweildauer im Fermenter/Nachgärer um mehr als 20% gesteigert. Des Weiteren kann die Verweildauer innerhalb des
Fermenters/Nachgärers bei einem gewünschten festen Gasertrag durch die
erfindungsgemäße Vorbehandlung deutlich reduziert werden, da der o.g. Wert des Gasertrags bei Vorbehandlung der Biomasse schon bereits bei 12 Tagen
Verweildauer im Fermenter/Nachgärer erreicht wird.
Die Anlage 1 weist zudem in an sich bekannter Weise ein Gärresteend lager 8 auf, in die die Gärreste aus dem Nachgärer 7 eingebracht werden.
Die im Fermenter bzw. im Nachgärer 7 entstehenden brennbaren Gase werden vorzugsweise aus dem im Bereich des Nachgärers vorgesehenen Gasspeicher entnommen und einem Blockheizkraftwerk 9 zugeführt, durch das bei Verbrennung des innerhalb der Biogasanlage erzeugten brennbaren Gases elektrischer Strom und Wärme erzeugt wird. Die Restwärmenutzung des Blockheizkraftwerkes 9 erfolgt durch Durchleitung des bei der Verbrennung entstehenden Rauchgases durch einen im Innenraum des Reaktors 5 vorgesehenen Wärmetauschers 10, der zur
Durchleitung der Rauchgase ausgebildet ist.
Wie in Figur 3 gezeigt, ist der Wärmetauscher 10 als Rohrwärmetauscher ausgebildet und weist mehrere, vorzugsweise vertikal angeordnete Rohrelement 10.1 auf, die mit der am Blockheizkraftwerk 9 angeschlossenen Rauchgasleitung 9.1 verbunden sind und damit vom Rauchgas durchströmt werden. Dadurch wird eine Erwärmung der im Reaktorinnenraum 5.1 enthaltenen Biomasse bzw. dem Biomasse- Flüssigkeitsgemisch bewirkt. Bevorzugt ist in der Rauchgasleitung 9.1 zwischen dem Blockheizkraftwerk 9 und dem Reaktor 5 eine Mischeinrichtung 9.2 vorgesehen, die ein gesteuertes
Beimischen einer gewünschten Menge Kaltluft bzw. Frischluft zu dem Rauchgas ermöglicht. Dadurch wird die Rauchgastemperatur bzw. der Wärmeeintrag in den Reaktor 5 über den Wärmetauscher 10 gesteuert. Der benötigte Wärmeeintrag im Reaktor 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 niedrigen Trockenanteil. Durch die gesteuerte Zuführung von Kaltluft bzw. Frischluft zu dem Rauchgas kann dem jeweiligen benötigten Wärmebedarf abhängig von der bearbeiteten Biomasse Rechnung getragen werden. Zudem ist eine Steuerung der Temperatur der durch den Wärmetauscher 10 geleiteten Rauchgase in Abhängigkeit von den jeweiligen
Prozessbedingungen möglich. Vorzugsweise erfolgt eine Restwärmenutzung der im Rauchgas enthaltenen Wärmemenge > 50% durch die Durchleitung des Rauchgases durch den Wärmetauscher 10, sodass durch eine weiterhin vorgesehene
Restwärmenutzung im Kühlwasserkreislauf des Blockheizkraftwerks, bei dem mindestens 10% der im Blockheizkraftwerk 9 entstehenden Abwärme genutzt wird, die gesetzlich geforderte Grenze von mindesten 60% der Restwärmenutzung erreicht wird. Die Restwärmenutzung des Kühlwassers erfolgt vorzugsweise durch den Wärmetauscher 1 1 .
In Figur 3 ist die erfindungsgemäße Anlage 1 in einem höheren Detaillierungsgrad gezeigt. Die Anlage 1 weist eine zwischen der Biomasseaufgabe 2 und dem Reaktor 5 angeordnete Vorwärmeinrichtung 12 auf, der über die Fördereinrichtung 3 die an der Biomasseaufgabe 2 eingebrachte Biomasse zugeführt wird. Die
Vorwärmeinrichtung 12 ist vorzugsweise ein druckfester, abgesehen von Zu- und Ableitungen, geschlossener Behälter, die zur Vorerwärmung der Biomasse vor der Einbringung in den Reaktor 5 dient. Sie ist vorzugsweise oberhalb des Reaktors 5, insbesondere unmittelbar über dem Einlass 5.2 angeordnet. Die Vorerwärmung der Biomasse birgt den Vorteil, dass durch die Einbringung der Biomasse in den Reaktor 5 die Temperaturschwankungen innerhalb des Reaktors 5 minimiert werden, und dabei der zumindest eine Teilprozess der hydrothermalen Karbonisierung innerhalb des Reaktors 5 durch das intermittierende Einbringen von neuer Biomasse
aufrechterhalten wird.
Die Vorerwärmung der Biomasse erfolgt vorzugsweise durch Entnahme von
Flüssigkeit aus dem Reaktor 5, beispielsweise mittels der Entnahmeeinrichtung 12.1 . Vorzugsweise wird aus der in den Reaktor 5 eingebrachten Biomasse durch einen Dehydratationsprozess Wasser abgeschieden, sogenanntes Dehydratwasser, welches über die Entnahmeeinrichtung 12.1 der Vorwärmeinrichtung 12 zugeführt wird. Innerhalb der Vorwärmeinrichtung 12 erfolgt vorzugsweise eine Vermischung des Dehydratwassers mit der Biomasse. Dieses Wasser weist näherungsweise die im Reaktor 5 vorherrschende Temperatur, d.h. vorzugsweise Temperaturen im Bereich von 100°C bis 250°C auf und kann aufgrund seiner hohen spezifischen Masse optimal für einen Wärmeeintrag in die zu erwärmende Biomasse verwendet werden. Zur Entnahme des Dehydratwassers im flüssigen Zustand aus dem Reaktor 5 ist eine unmittelbare fluidische Verbindung zwischen dem Reaktor 5 und der
Vorwärmeinrichtung 12 vorgesehen, über die das Dehydratwasser vorzugsweise über zumindest ein Ventil gesteuert dem Reaktor 5 entzogen werden kann. Beim Zuführen des Dehydratwassers in die Vorwärmeinrichtung 12 ist diese vorzugsweise druckdicht verschlossen, sodass bei Zuführung des unter Druck stehenden
Dehydratwassers der Druck im Inneren der Vorwärmeinrichtung 12 erhöht wird. Vorzugsweise wird der Druck innerhalb der Vorwärmeinrichtung 12 über den im Reaktor 5 vorherrschenden Druck erhöht. Diese Druckerhöhung kann beispielsweise mittels eines Druckerzeugers oder einem mit dem Druckerzeuger gekoppelten Druckspeicher erfolgen. Nach der Erhöhung des Drucks in der Vorwärmeinrichtung 12 wird die vorerwärmte Biomasse bzw. das Gemisch aus Biomasse und
Dehydratwasser über den Einlass 5.2 dem Reaktor 5 zugeführt. Für den Fall, dass in der Vorwärmeinrichtung 12 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 12 über den Druck im Reaktor 5, sodass ein Verstopfen des Auslasses der Vorwärmeinrichtung 12 bzw. der
Zuführöffnung 5.2 des Reaktors 5 wirksam vermieden wird. 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.
Bezugszeichenliste
1 Anlage
2 Biomasseaufgabe
3 Fördereinrichtung
5 Reaktor
5.1 Reaktorinnenraum
5.2 Einlass
5.3 Auslass
5.4 Entnahmeöffnung
6 Fermenter
7 Nach gärer
8 Gärresteendlager
9 Blockheizkraftwerk
9.1 Rauchgasleitung
9.2 Mischeinrichtung
10 Wärmetauscher
10.1 Rohrelement
1 1 Wärmetauscher
12 Vorwärmeinrichtung
12.1 Entnahmeeinrichtung
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Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Erzeugung von regenerativer Energie durch Vergärung von Biomasse in zumindest einem Fermenter (6), wobei die Biomasse vor der Zuführung zu dem Fermenter (6) einer Vorbehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Zuführung der Biomasse zu einem geschlossenen Reaktor (5);
- Vorbehandlung der Biomasse unter Einwirkung von Wärme und Druck in zumindest einem Tei lprozess der hydrothermalen Karbonisierung in dem Reaktor (5);
- Zuführung der vorbehandelten Biomasse zum Fermenter (6); und
- Vergärung der vorbehandelten Biomasse zur Erzeugung von Biogas.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse über eine Zeitdauer von 0,5 Stunden bis 5 Stunden vorbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorbehandlung der Biomasse bei einer Temperatur zwischen 1 00°C und 270 °C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung der Biomasse bei Drücken zwischen 5 bar und 55 bar erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass durch die Vorbehandlung eine Dehydratation der Biomasse erfolgt, wobei das bei der Dehydratation entstehende Wasser getrennt von der vorbehandelten Biomasse aus dem Reaktor entnommen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Reaktor durch eine Durchleitung von Gasen und/oder Wasserdampf durch zumindest einen im Reaktorinnenraum (5.1 ) vorgesehenen Wärmetauscher (10) aufgeheizt und/oder temperaturstabilisiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung und/oder Temperaturstabilisierung durch eine Durchleitung von Rauchgasen durch den Wärmetauscher (10) erfolgt, wobei die Rauchgase bei der
Verbrennung des Biogases zur Erzeugung von elektrischer Energie entstehen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Biomasse vor der Einbringung in den Reaktor (5) in einer Vorwärmeinrichtung (12) erwärmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Biomasse durch Entnahme von durch Dehydratation entstehendem
Dehydratwasser im flüssigen Zustand aus dem Reaktor (5), durch unmittelbare Zuführung des Dehydratwassers zur Vorwärmeinrichtung (12) und
Vermischung des Dehydratwassers mit der Biomasse in der
Vorwärmeinrichtung (12) erfolgt.
10. Vorrichtung zur Erzeugung von regenerativer Energie durch Vergärung von Biomasse in zumindest einem Fermenter (6), dadurch gekennzeichnet, dass vor dem zumindest einen Fermenter (6) ein Reaktor (5) vorgesehen ist, der zur Vorbehandlung der Biomasse durch zumindest einen Teilprozess der hydrothermalen Karbonisierung, d.h. Beaufschlagung der Biomasse mit Druck und Temperatur ausgebildet ist.
1 1 .Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Reaktors (5) ein Wärmetauscher (10) vorgesehen ist, der zur Durchleitung von Gasen und/oder Dämpfen ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Reaktor (5) eine Vorwärmeinrichtung (12) zur Erwärmung der Biomasse vor dem Einbringen in den Reaktor (5) vorgesehen ist.
1 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (5) an zumindest einem Teil der Innenfläche der
Reaktorwandung eine Beschichtung aufweist, die ein Anhaften der Biomasse verhindert.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (12) eine Beschichtung aufweist, die ein Anhaften der Biomasse verhindert.
1 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zumindest eine Schicht aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ist.
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