DE102016125286A1

DE102016125286A1 - Verfahren zur herstellung von biokohle

Info

Publication number: DE102016125286A1
Application number: DE102016125286.7A
Authority: DE
Inventors: Mathias Schlegel; Bassel Ibrahim
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von Biokohle durch hydrothermale Karbonisierung von Biomasse werden Zerfallsprodukte des laufenden hydrothermalen Karbonisierungsprozesses enthaltende Gase oder Flüssigkeiten entnommen. Eine erfindungsgemäße Einrichtung (2) zur Herstellung von Biokohle ist für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Einrichtung eine Leitung (8) auf, die einen Prozessbehälter (4) der Einrichtung (2) mit einem Analysator (10) verbindet zur Zuleitung von aus dem Prozessbehälter (4) entnommenen, Zerfallsprodukten des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses enthaltenden Gasen oder Flüssigkeiten, wobei in der Leitung (8) wenigstens ein durch eine Steuerungseinrichtung (6) ansteuerbares Ventil (12) angeordnet ist. (Figur)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biokohle durch hydrothermale Karbonisierung von Biomasse.
Zur Herstellung von Biokohle aus Biomasse pflanzlichen Ursprungs (Kokosschalen, Oliven - oder Pfirsichkerne, Schilf usw.) werden verschiedene Verfahren angewendet. Ein bekanntes Verfahren ist die sogenannte hydrothermale Karbonisierung, kurz auch als HTC bezeichnet. Das Verfahren zeichnet sich durch die Möglichkeit aus, wasserhaltige Biomassen zu verwenden. Bei Temperaturen oberhalb von 180 Grad Celsius ergeben sich Drücke oberhalb von 10 bar. Wenn diese Bedingungen über eine vorbestimmte Prozesszeit, die auch als Plateauphase bzw. Plateauzeit bezeichnet wird, eingehalten werden, so zerfällt die Struktur der eingebrachten Biomassen nach und nach.
Pflanzliche Biomassen bestehen aus verschiedenen Kompartimenten. Neben Fetten und Eiweißen sind Kohlenwasserstoffe anzutreffen. Unter Letzteren ist die sogenannte Lignozellulose zu nennen, die sich weiter gliedern lässt in: Hemizellulose, Zellulose und Lignin. Bei den oben beschriebenen Prozessbedingungen erfolgt deren Zerfall in einer bestimmten Reihenfolge, wobei Hemizellulose leichter und Lignin zuletzt oder gar nicht zerfällt, wenn die Plateauzeit nicht ausreichend lang ist. Aus Kompartimenten, die nicht so leicht zerfallen, also den übrig bleibenden Strukturen, bildet sich der Kohlegrundkörper der Biokohle.
Dieser Kohlegrundkörper ist parametrisch beschreibbar und damit die Qualität bestimmt. Dafür werden Werte wie Porenanzahl und -größe, das Kohlenstoff-Sauerstoffverhältnis, die Ausbeute usw. verwendet. Die Werte dieser Parameter werden erheblich von der Ausgangsbiomasse (Kompartimentzusammensetzung der Lignozellulose) einerseits und andererseits durch die Prozessbedingungen bestimmt, für die Temperatur, Druck und Plateauzeit wesentlich sind.
Im Zusammenhang mit der hydrothermalen Karbonisierung muss vor dem Prozess abgeschätzt werden, wie hoch Temperatur und Druck und wie lang die Plateauzeit gewählt werden soll. Der Reaktor und seine Regeleinrichtungen werden daraufhin eingestellt. Aber erst nach dem Verkohlungsprozess stellt sich heraus, welche Qualität die Kohle wirklich hat . Weitere Versuche können mit variierenden Parametern durchgeführt werden. Die sich daraus ergebenden Verkohlungsergebnisse können miteinander verglichen und die beste Variante ausgewählt werden. Nachteilig ist hierbei, dass eine große und ressourcenverbrauchende Anzahl von Versuchen realisiert werden muss, um das Ergebnis festzustellen. Darüber hinaus lässt sich das für eine bestimmte Biomasse erzielte Ergebnis nicht auf eine gleichartige Biomasse übertragen, die beispielsweise einen anderen Abreifegrad hat oder aus einem anderen Jahr stammt. Dies beruht darauf, dass sich die Kompartimentzusammensetzungen, die die Qualität der Kohle beeinflussen, ändern, auch wenn Temperatur, Druck und Plateauzeit wie bei einem vorhergehenden Versuch gewählt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Biokohle durch hydrothermale Karbonisierung von Biomasse anzugeben, das hinsichtlich der Qualität der hergestellten Biokohle verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Erfindungsgemäß werden Zerfallsprodukte des laufenden hydrothermalen Karbonisierungsprozesses entnommen und analysiert.
Beispielsweise und insbesondere können die Zerfallsprodukte aus der Gasphase des Karbonisierungsprozesses entnommen und hinsichtlich ihrer Beschaffenheit und/oder Zusammensetzung analysiert werden, beispielsweise mit bekannten Analyseverfahren der Chromatographie, Spektroskopie oder Photometrie. Hierbei können die aus der Gasphase entnommenen Zerfallsprodukte insbesondere kondensiert und das so erhaltene Kondensat analysiert werden.
Erfindungsgemäß ist es auf diese Weise möglich, neben dem Temperatur- und Druckverlauf und der Plateauzeit einen zeitlichen Verlauf der Zerfallsprodukte während des Karbonisierungsprozesses sichtbar zu machen.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, dass beispielsweise eine Kompartimentzusammensetzung mit viel Hemizellulose und wenig Lignin bei ihrem Zerfall ein charakteristisches Muster an Zerfallsprodukten erzeugt, das sich beispielsweise von dem Muster an Zerfallsprodukten unterscheidet, wenn viel Lignin und wenig Hemizellulose vorhanden ist.
Erfindungsgemäß können hiervon ausgehend Korrelationen zwischen dem Zerfallsproduktmuster und der Kohlequalität festgehalten werden. Auf diese Weise ist der Kreis zwischen den am Anfang der Verkohlung vorliegenden Werten der Ausgangsbiomasse zur Kompartimentzusammensetzung einerseits und zur erwartenden Kohlequalität bei bestimmten Prozessbedingungen (Temperatur, Druck und Plateauzeit) andererseits geschlossen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es insbesondere, Prozessparameter des laufenden hydrothermalen Karbonisierungsprozesses in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Analysen zu beeinflussen. Durch insbesondere intervallmäßige Wiederholung der Entnahme und Analyse von Zerfallsprodukten lässt sich in einer Zeitreihe die Entwicklung der Zusammensetzung der Zerfallsprodukte ermitteln, anhand derer der Karbonisierungsprozess hinsichtlich seiner Prozessbedingungen online, also während des laufenden Prozesses, beeinflusst werden kann. Auf diese Weise kann die Qualität der hergestellten Kohle bei jedem individuellen Karbonisierungsprozess optimiert werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Prozessparameter des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses die Temperatur und/oder der Druck und/oder die Plateauzeit und/oder eine Zugabe von Prozesshilfsstoffen beeinflusst werden. Die Beeinflussung der Prozessparameter ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen möglich.
Erfindungsgemäß können Zerfallsprodukte des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses in einem beliebigen, für eine nachfolgende Analyse geeigneten Aggregatzustand entnommen werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass die Zerfallsprodukte aus der Gasphase des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses entnommen werden. Auf diese Weise kann die apparative Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders einfach gestaltet werden.
Bei der vorgenannten Ausführungsform ist es erfindungsgemäß grundsätzlich möglich, die Zerfallsprodukte in ihrer Gasform zu analysieren. Um die prozessuale Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter zu vereinfachen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die aus der Gasphase entnommenen Zerfallsprodukte kondensiert und das so erhaltene Kondensat analysiert werden. Insbesondere kann die gesamte heiße Gasphase einer Kondensation zugeführt werden. Soweit die Probe bereits im flüssigen Aggregatzustand vorliegt, wird anstelle des Kondensats unmittelbar die flüssige Probe für die Analyse verwendet.
In Abhängigkeit von der verwendeten Ausgangsbiomasse und den Gegebenheiten des jeweiligen Prozesses kann es erfindungsgemäß ausreichend sein, die erfindungsgemäß vorgesehene Entnahme und Analyse von Zerfallsprodukten während des laufenden Karbonisierungsprozesses einmalig durchzuführen. Um die Aussagekraft zu erhöhen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Entnahme und Analyse von Zerfallsprodukten während des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses wenigstens einmal wiederholt werden.
Bei der vorgenannten Ausführungsform kann der Zeitabstand zwischen aufeinander folgende Entnahmen (und Analysen) der Zerfallsprodukte entsprechend den jeweiligen Anforderungen eingestellt werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass die Entnahme und Analyse von Zerfallsprodukten während des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt werden. Auf diese Weise ist die Aussagekraft der Untersuchung verbessert.
Erfindungsgemäß kann, wie bereits beschrieben, das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, um Prozessparameter des laufenden hydrothermalen Karbonisierungsprozesses in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Analyse zu beeinflussen, so dass der Karbonisierungsprozess also online beeinflusst wird.
Eine andere außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass anhand des Ergebnisses der Analyse ein Zerfallsproduktmuster ermittelt und abgespeichert bzw. aufgezeichnet wird, wobei dem Zerfallsproduktmuster eine bei gegebener Ausgangsbiomasse und gegebenen Prozessparametern resultierende Beschaffenheit der im Rahmen des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses erzeugten Biokohle zugeordnet wird und wobei die Beschaffenheit der Biokohle durch wenigstens einen Parameter repräsentiert wird. Bei dieser Ausführungsform können die Ergebnisse von hydrothermalen Karbonisierungsprozessen, die mit unterschiedlichen Ausgangsbiomassen und/oder unterschiedlichen Prozessparametern durchgeführt werden, nach Art einer Datenbank aufgezeichnet werden, so dass sich die Prozessparameter für eine vorgegebene Ausgangsbiomasse auf einfache und besonders gut angepasste Weise auswählen lassen, wodurch die Qualität zukünftig hergestellter Kohle weiter optimiert werden kann.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass anhand des Ergebnisses der Analyse der Verkohlungsgrad der Biomasse ermittelt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise online ermittelt werden, wann die Kohlequalität erreicht ist, die gewünscht wurde. Auf diese Weise kann die Energieeffizienz eines Karbonisierungsprozesses erhöht werden, indem dieser beendet wird, sobald der gewünschte Verkohlungsgrad erreicht ist.
Die Analyse der Zerfallsprodukte kann mit beliebigen geeigneten Verfahren erfolgen, beispielsweise mittels einer einfachen pH-Wertmessung oder auf anderem Wege. Insoweit sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die entnommenen Zerfallsprodukte mittels Verfahren der Chromatographie und/oder Spektroskopie und/oder Photometrie analysiert werden.
Eine Einrichtung zur Herstellung von Biokohle ist im Anspruch 12 angegeben und dadurch gekennzeichnet, dass sie für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet ist. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Eigenschaften und Vorteile wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen Weiterbildungen.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht eine Leitung vor, die einen Prozessbehälter der Einrichtung mit einem Analysator zur Zuleitung von aus dem Prozessbehälter entnommenen Zerfallsprodukte enthaltenden Gasen oder Flüssigkeiten des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses verbindet, wobei in der Leitung wenigstens ein durch eine Steuerungseinrichtung ansteuerbares Ventil angeordnet ist. Durch entsprechende Ansteuerung des Ventils durch die Steuerungseinrichtung wird erfindungsgemäß festgelegt, zu welchen Zeitpunkten und über welchen Zeitraum die Zerfallsprodukte aus dem Prozessbehälter entnommen werden.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind ferner in den Ansprüchen 14 und 15 angegeben. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie bei den entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der stark schematisiert und blockschaltbildartig ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Biokohle durch hydrothermale Karbonisierung dargestellt ist. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebig geeigneter Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbezügen sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.
In der einzigen Figur der Zeichnung ist stark schematisiert und blockschaltbildartig ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung 2 zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Biokohle durch hydrothermale Karbonisierung von Biomasse dargestellt. Die Einrichtung 2 weist einen Prozessbehälter 4 auf, in dem eine Ausgangsbiomasse durch hydrothermale Karbonisierung verkohlt wird. Das Verfahren der hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse ist grundsätzlich dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Die Prozessbedingungen in dem Prozessbehälter während des Karbonisierungsprozesses, insbesondere die Temperatur, der Druck und die Plateauzeit, werden über eine Steuerungseinrichtung 6 festgelegt, die entsprechende technische Einrichtungen ansteuert. Die Ausgestaltung entsprechender technischer Einrichtungen zur Einstellung der Prozessbedingungen des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses ist dem Fachmann ebenfalls allgemein bekannt und wird daher ebenfalls nicht näher erläutert.
Die erfindungsgemäße Einrichtung 2 weist eine Leitung 8 auf, die den Prozessbehälter 4 mit einem nachgeordneten Analysator 10 verbindet. In der Leitung 8 ist dem Prozessbehälter 4 nachgeordnet ein durch die Steuerungseinrichtung 6 ansteuerbares Ventil 12 angeordnet, dem eine Kondensationseinrichtung 14 nachgeordnet ist, die mit dem Analysator 10 in Verbindung steht.
Das Analyseergebnis repräsentierende Daten können von dem Analysator 10 zu der Steuerungseinrichtung 6 übermittelt werden, wie in der Zeichnung bei dem Bezugszeichen 16 angedeutet. Darüber hinaus können die Daten in einer Datenbank auf einem Speicher 18 abgespeichert werden, wie in der Zeichnung bei dem Bezugszeichen 20 angedeutet.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Biokohle durch hydrothermale Karbonisierung wird eine Ausgangsbiomasse in dem Prozessbehälter 4 einem hydrothermalen Karbonisierungsprozess unterzogen. Während des laufenden Karbonisierungsprozesses wird das Ventil 12 durch die Steuerungseinrichtung 6 intervallmäßig angesteuert, so dass in vorbestimmten Zeitintervallen Zerfallsprodukte des laufenden hydrothermalen Karbonisierungsprozesses aus dessen Gasphase entnommen werden.
Die entnommenen gasförmigen Zerfallsprodukte werden in der Kondensationseinrichtung 14 kondensiert und das so erhaltene Kondensat dem Analysator 10 zugeleitet.
In dem Analysator 10 werden die Zerfallsprodukte mittels geeigneter Verfahren beispielsweise der Chromatographie, Spektroskopie oder Photometrie hinsichtlich ihrer Zusammensetzung bzw. Beschaffenheit analysiert, so dass sich anhand des Analyseergebnisses Rückschlüsse über den Stand bzw. Fortschritt des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses treffen lassen.
Von dem Analysator 10 werden Daten, die das Analyseergebnis repräsentieren, zu der Steuerungseinrichtung 6 übermittelt. Die Steuerungseinrichtung 6 kann basierend auf den Analyseergebnissen und unter Zugriff auf eine in dem Speicher 18 abgespeicherte Datenbank feststellen, wie bei der jeweiligen Entnahme der Zerfallsprodukte der Stand bzw. Fortschritt des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses ist. Durch entsprechende Steuerung der Prozessparameter kann ausgehend von dem Analyseergebnis der Karbonisierungsprozess während seines Laufes, also online, beeinfluss werden, um auf diese Weise die Qualität der hergestellten Kohle zu optimieren.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Biokohle durch hydrothermale Karbonisierung von Biomasse, bei dem Zerfallsprodukte des laufenden hydrothermalen Karbonisierungsprozesses enthaltende Gase oder Flüssigkeiten entnommen und analysiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zerfallsprodukte hinsichtlich Ihrer Beschaffenheit und/oder Zusammensetzung analysiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Prozessparameter des laufenden hydrothermalen Karbonisierungsprozesses in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Analyse beeinflusst werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Prozessparameter des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses die Temperatur und/oder der Druck und/oder die Plateauzeit und/oder die Zugabe von Hilfsstoffen beeinflusst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zerfallsprodukte aus der Gasphase des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses entnommen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die aus der Gasphase entnommenen Zerfallsprodukte kondensiert werden und das so erhaltene Kondensat analysiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Entnahme und Analyse von Zerfallsprodukten während des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses wenigstens einmal wiederholt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Entnahme und Analyse von Zerfallsprodukten während des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand des Ergebnisses der Analyse ein Zerfallsproduktmuster ermittelt und abgespeichert bzw. aufgezeichnet wird, wobei dem Zerfallsproduktmuster eine bei gegebener Ausgangsbiomasse und gegebenen Prozessparametern resultierende Beschaffenheit der im Rahmen des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses erzeugten Biokohle zugeordnet wird und wobei die Beschaffenheit der Biokohle durch wenigstens einen Parameter repräsentiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand des Ergebnisses der Analyse der Verkohlungsgrad der Biomasse ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die entnommenen Zerfallsprodukte mittels Verfahren der Chromatografie und/oder Spektroskopie und/oder Photometrie analysiert werden.
Einrichtung (2) zur Herstellung von Biokohle, dadurch gekennzeichnet, dass sie für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet und eingerichtet ist.
Einrichtung nach Anspruch 12, die eine Leitung (8) aufweist, die einen Prozessbehälter (4) der Einrichtung (2) mit einem Analysator (10) verbindet zur Zuleitung von aus dem Prozessbehälter (4) entnommenen, Zerfallsprodukte des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses enthaltenden Gasen oder Flüssigkeiten, wobei in der Leitung (8) wenigstens ein durch eine Steuerungseinrichtung (6) ansteuerbares Ventil (12) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 13, bei der die Steuerungseinrichtung (6) zur zeitintervallmäßigen Betätigung des Ventils ausgebildet (12) und eingerichtet oder programmiert ist.
Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei der dem Ventil (12) eine Kondensationseinrichtung (14) zur Kondensation von aus der Gasphase des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses entnommenen Zerfallsprodukten und bei der der Kondensationseinrichtung (14) der Analysator (10) nachgeordnet ist zur Analyse des Kondensats.