DE102017009622A1 - Process for the gasification of biomass - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur katalytischen Vergasung von Biomasse zu Pflanzenkohle und zu einem brennbaren, hauptsächlich CO, C02 Wasserdampf, Wasserstoff, Methan und Ammoniak enthaltendem Gas unter Luftabschluss, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Synthesegasreaktor (1) die Biomasse mit einem Katalysator im Gegenstromprinzip vermischt wird, wobei
• die Biomasse auf einem Schubbodenrost (2) im Gegenstrom zu einem ebenfalls auf einem über den Schubbodenrost (2) der Biomasse liegenden Schubbodenrost (3) gelagerten Katalysator geführt und der Katalysator durch den Schubbodenrost (3) auf die Biomasse verteilt sowie mit dem aus der Verbrennung der Biomasse entstehende und in einem Überhitzer (4) aufgeheizte Synthesegas aus dem Synthesekreislauf durch Rückführung zumindest eines Teil des Synthesegases in Kontakt gebracht,
• das entstehende und nicht zur Verbrennung der Biomasse benötigte Synthesegas über einen Staubabscheider (8), über ein Filter (9), über einen mit einem lonentauscher gefüllten und als Quensche dienenden Ammoniakwäscher (10), dem Wasser zugeführt wird und über einem HG-Filter (12) einer Verwendung in Form eines Brenngases oder zum Antrieb einer Turbine oder zum Einsatz in der Fischer- Tropsch- Synthese zugeführt wird.
und
• die bei der Pyrolyse entstehende Pflanzenkohle mittels eine Austragsschnecke (7) über eine Pflanzenkohle- Quensche (5) in einen Fermenter (6) verbracht und einer biologischen Aktivierung unterzogen wird.
A process for the catalytic gasification of biomass to biochar and a combustible, mainly CO, C02 steam, hydrogen, methane and ammonia-containing gas with exclusion of air, characterized in that in a synthesis gas reactor (1) the biomass is mixed with a countercurrent catalyst, wherein
• The biomass on a sliding floor grate (2) in countercurrent to a likewise on a lying above the sliding floor grate (2) of the biomass moving soil grid (3) mounted catalyst and the catalyst through the sliding floor grate (3) distributed to the biomass and with the from the Burning the biomass resulting and heated in a superheater (4) synthesis gas from the synthesis loop brought by recycling at least a portion of the synthesis gas in contact,
The synthesis gas which is produced and not required for combustion of the biomass is fed to the water via a dust separator (8), via a filter (9), via an ammonia scrubber (10) filled with an ion exchanger and used as a quench, and via a HG filter (12) is supplied for use in the form of a fuel gas or for driving a turbine or for use in the Fischer-Tropsch synthesis.
and
• the biochar produced during the pyrolysis by means of a discharge screw (7) via a biochar quencher (5) in a fermenter (6) and subjected to a biological activation.
Description
Die Erfindung betrifft ein katalytisches Verfahren und eine Vorrichtung zur thermochemischen Herstellung von Synthesegas, Ammoniak und Ammoniumsalzen, Kohlendioxid Wasser als Brauchwasser und Trinkwasser und Pflanzen als Aktivkohle und als Düngemittel bzw. Bodensubstrat aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern, insbesondere von Biomassen.The invention relates to a catalytic process and apparatus for the thermochemical production of synthesis gas, ammonia and ammonium salts, carbon dioxide water as process water and drinking water and plants as activated carbon and as fertilizer or soil substrate of carbonaceous energy carriers, in particular of biomass.
Unter Biomasse sind sämtliche Stoffe biologischen Ursprungs zu verstehen Synthesegas besteht überwiegend aus Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Methan Ammoniak und Ammoniumsalze entstehen bei der thermochemischen Zersetzung von Eiweißen die in der Biomasse vorhanden sind. Das Kohlendioxid entsteht bei der Verbrennung des Synthesegases. Wasser als Brauchwasser entsteht hier bei der Kondensation des Wassers aus dem Synthesegas, bei der Kondensation aus dem Abgasstrom sowie bei dem erfindungsgemäßen Einsatzes des Ammoniaks bzw. Ammoniumions als Regeneriermittel für einen Ionenaustauschprozess zur Entsalzung von Wässern insbesondere Meerwässern Überschüssiger Ammoniak wird mit mineralischen Ionentauschern oder als Magnesium-Ammonium-Phosphat als Düngemittel gewonnen. Trinkwasser ist entsalztes Wasser, das mit Calciumhydrogencarbonat durch Reaktion von Calciumcarbonat und Kohlendioxid angereichert wird. Pflanzenkohle ist die aus der Biomasse gewonnen Kohle, die bei Erreichen von 300 m2/a zur Aktivkohle wird. Wird diese Kohle biologisch aktiviert und mit Biomassen z B Melasse milchsauer fermentiert, dann erhält man Terra Preta als anthropogenes Bodensubstrat mit Düngewirkung und humusaufbauendem Effekt. Die Pyrolyse ist gerade deshalb für diese Aufgabe besser als eine Verbrennung geeignet da hierbei gezielt Kohle aus Biomasse und Aktivkohle, die später als Terra Preta do Indio ähnliches Substrat weiter Verwendung in der Landwirtschaft und im Gartenbau findet, hergestellt werden kann und so auf einfache Weise das Phosphat wieder pflanzenverfügbar gemacht werden kann.Biomass is understood to mean all substances of biological origin. Synthesis gas consists predominantly of hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and methane. Ammonia and ammonium salts are formed during the thermochemical decomposition of proteins present in the biomass. The carbon dioxide is produced during the combustion of the synthesis gas. Water as service water is formed here during the condensation of the water from the synthesis gas, in the condensation from the exhaust stream and in the inventive use of ammonia or ammonium ion as a regenerating agent for an ion exchange process for desalination of water, especially seawater. Excess ammonia is with mineral ion exchangers or magnesium Ammonium phosphate obtained as fertilizer. Drinking water is desalinated water which is enriched with calcium bicarbonate by the reaction of calcium carbonate and carbon dioxide. Biochar is the coal extracted from the biomass, which becomes activated carbon when it reaches 300 m2 / a. If this coal is biologically activated and lactated with biomass, for example molasses, Terra Preta is obtained as an anthropogenic soil substrate with fertilising effect and humus-building effect. The pyrolysis is therefore better suited for this task than a combustion because this targeted coal from biomass and activated carbon, which later as Terra Preta do Indio similar substrate continues to use in agriculture and horticulture, can be produced and so in a simple way Phosphate can be made available to plants again.
Für die thermochemische Herstellung von Synthesegas aus Biomasse sind im Wesentlichen drei verfahren bekannt.Essentially, three methods are known for the thermochemical production of synthesis gas from biomass.
Die Festbettvergasung wird im kleinen Leistungsbereich für Biomassen hoher Qualität eingesetzt und vergasen hauptsächlich mit Luft, weshalb lediglich ein Gas niedriger Qualität entsteht. Ab 1 GW Leistung werden sogenannte Flugstromvergaser eingesetzt, die hauptsächlich weitgehend trockene Biomasse bei sehr hohen Temperaturen mit reinem Sauerstoff vergasen. Für dezentrale kleine Anlagen ist der Flugstromvergaser wegen der hohen Investitionskosten nicht geeignet. Wegen der hohen Temperaturen wird der Ascheschmelzpunkt unterschritten, weshalb es nur mit sehr hohem apparativem und chemischen Aufwand möglich wäre, Phosphate und andere Düngemittel zurück zu gewinnen..Zwischen 1 MW und 1 GW kann ein Wirbelschichtreaktor eingesetzt werden. Dieser wird in zwei Varianten betrieben; einmal allotherm und einmal autotherm. Bei der autothermen Vergasung wird ein Teil der Biomasse verbrannt, um die Energie für die ablaufenden endothermen Reaktionen zur Verfügung zu stellen. Bei der allothermen Vergasung wird die notwendige Energie von außen zugeführt. Dies kann durch elektrische Beheizung des Systems oder durch umlaufende Wärmeträger, wie z.B. Sand, die durch Verbrennen der Biomasse erhitzt werden geschehen. Ein solcher Vergaser wird in Güssing, Österreich betrieben. Wird als umlaufener Wärmeträger gebrannter Kalk genutzt, kann zusätzlich die Wärmetönung bei der Umwandlung zu Kalziumcarbonat genutzt werden, wie in der
Die
In der
Durch eine Stopfschnecke wird die Biomasse zugeführt und dadurch kontinuierlich so verdichtet wird, dass ein gasundurchlässiger Pfropf entsteht, wodurch Dampf und Gase nicht entgegengesetzt der Förderrichtung entweichen können. In einem Schneckenextruder wird durch eine Zerfaserungsschnecke, welche die Biomasse entweder kontinuierlich unter Druck zuführt ,und in welcher die Biomasse stufenweise durch Zugabe von Wasserdampf bzw. reinem Sauerstoff oder einer Kombination von beidem von 100°C bis auf etwa 200-250°C erwärmt wird, oder die Biomasse kurz nach dem Einlass des Schneckenextruders durch Zugabe von Wasserdampf bzw. reinem Sauerstoff oder einer Kombination von beidem auf eine Temperatur von etwa 200-250°C erwärmt und bis auf einen Druck von etwa 25-30 bar gebracht wird, wobei (in beiden Fällen) durch die Erwärmung das in der Biomasse enthaltene Lignin (Kitt zwischen den Pflanzenfasern) erweicht bzw. flüssig wird. Die Biomasse (insbesondere die Epidermishülle und die Nodien von Gräsern) wird durch den zugeführten Sauerstoff zusätzlich teilweise chemisch zersetzt. Die durch die Scherelemente der Zerfaserungsschnecke erzeugten Scherkräfte werden die Biomassefasern voneinander getrennt und Epidermishülle und Nodien aufgrund der Versprödung durch den Sauerstoff ebenfalls fein zerkleinert. Kurz vor dem Ausgang in den Schneckenextruder wird zusätzlich Wasserdampf gegeben, was aufgrund des dadurch entstehenden, größeren Volumens zu einem Auseinanderdriften des Faser-Dampfgemisches führt. Am Ausgang des Schneckenextruders wird der zur Vergasung notwendige Sauerstoff der Biomasse zugegeben. Durch eine Brennkammer wird entweder das gleichmäßig miteinander vermischte Biomasse-Sauerstoff-Gemisch zugeführt, so dass es darin zu einer homogenen Explosion (optimale partielle Verbrennung) bei ca. 900 °C kommt, oder es wird alternativ der zur Vergasung notwendige Sauerstoff erst innerhalb der Brennkammer getrennt zuzugeben, wodurch die Mischung allerdings dann inhomogen ist und deswegen ungleichmäßiger vergast. Durch einen Extruder oder eine Anordnung von mehreren Extrudern, durch den die Biomasse (bzw. das Vergasungsgemisch) der Vergasungskammer zugeführt wird, wird durch Hochtemperaturfilter (metallische Membranfilter) durch die das hierbei entstehende Gas bei 900°C geführt und hierbei in mehreren Stufen gereinigt, und durch eine katalytische Vorrichtung , in welcher zum Schluss die restlichen Schadstoffe im durchlaufenden Gas unschädlich gemacht werden.The biomass is fed through a plug screw and thereby continuously compressed so that a gas-impermeable plug is formed, whereby steam and gases can not escape opposite to the conveying direction. In a screw extruder is heated by a defibration screw, which feeds the biomass either continuously under pressure, and in which the biomass is gradually heated by the addition of water vapor or pure oxygen or a combination of both from 100 ° C to about 200-250 ° C. , or The biomass is heated shortly after the inlet of the screw extruder by the addition of water vapor or pure oxygen or a combination of both to a temperature of about 200-250 ° C and brought to a pressure of about 25-30 bar, wherein (in both Cases) by heating the lignin contained in the biomass (putty between the plant fibers) softens or becomes liquid. In addition, the biomass (in particular the epidermis shell and the nodules of grasses) is partially decomposed chemically by the oxygen supplied. The shearing forces generated by the shearing elements of the defibration screw, the biomass fibers are separated from each other and finely divided epidermis and Noden due to the embrittlement by the oxygen. Water vapor is additionally added shortly before the exit into the screw extruder, which leads to a drifting apart of the fiber-vapor mixture due to the resulting larger volume. At the outlet of the screw extruder, the oxygen required for gasification is added to the biomass. Through a combustion chamber, either the evenly mixed biomass-oxygen mixture is supplied, so that it comes to a homogeneous explosion (optimal partial combustion) at about 900 ° C, or it is alternatively necessary for the gasification of oxygen only within the combustion chamber added separately, whereby the mixture is then inhomogeneous and therefore gassed unevenly. By an extruder or an arrangement of several extruders, through which the biomass (or the gasification mixture) is fed to the gasification chamber, is passed through high-temperature filter (metallic membrane filter) through which the resulting gas at 900 ° C and thereby cleaned in several stages, and by a catalytic device in which finally the remaining pollutants in the gas passing through are rendered harmless.
In der
Die Erfindung gemäß der
Nach dem Stand der Technik nimmt der Synthesegasreaktor, der als Wirbelschicht ausgeprägt ist, die Biomassedirekt auf. Hier finden nebeneinander die Pyrolysereaktionen mit resultierendem Teer und Vergasungsreaktionen mit resultierendem Synthesegas statt. Folglich ist der Teergehalt im Synthesegas sehr hoch. Um Anlagenversagen zu vermeiden, muss der Teergehalt aufwändig entfernt werden.In the prior art, the synthesis gas reactor, which is pronounced as a fluidized bed, takes the biomass directly on. Here, the pyrolysis reactions with resulting tar and gasification reactions with resulting synthesis gas take place side by side. Consequently, the tar content in the synthesis gas is very high. To avoid system failure, the tar content must be removed consuming.
Aufgabe der Erfindung ist ein Vergasungsverfahren verfahren von Biomasse zu entwickeln, die die Nachteile bei der Erzeugung von Synthesegas zu vermeidet, sowie das Nutzbarmachen sämtlicher Stoffströme, die den thermochemischen Reaktor verlassen, wie
- • das Brenngas oder auch Synthesegas
- • das verbrannte Abgas - also hauptsächlich Kohlendioxid und Wasser, und
- • Pflanzenkohle oder Kohle aus anderen Biomassen ausgeprägt als Aktivkohle (je nach Einsatzstoff)
- • the fuel gas or syngas
- • the burnt exhaust gas - mainly carbon dioxide and water, and
- • Biochar or coal from other biomasses pronounced as activated carbon (depending on input material)
Die vorliegende Erfindung soll so einen Beitrag dazu leisten, Energie aus Biomasse in einer Weise zu wandeln, dass sämtliche aus einer Pyrolyse oder Vergasung kommenden Stoffströme nutzbar gemacht werden können und die Anlagen dezentral eingesetzt werden können ,um den Transport von Biomasse zu vermeiden, da die Energiedichte der Biomasse für einen weiten Transport zu gering ist.The present invention is intended to make a contribution to converting energy from biomass in such a way that all coming from a pyrolysis or gasification material flows can be harnessed and the plants can be used decentralized to avoid the transport of biomass, as the Energy density of the biomass is too low for a wide transport.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahre zu katalytischen Vergasung von Biomasse zu Pflanzenkohle und zu einem brennbaren, hauptsächlich CO, C02 Wasserdampf, Wasserstoff, Methan und Ammoniak enthaltendem Gas unter Luftabschluss, gelöst, wobei in einem Synthesegasreaktor (
Die bei der Vergasung entstehende Pflanzenkohle wird mittels einer Austragsschnecke (
- • wobei der Kationenaustauscher den Ammoniak in Form seines Ammoniumions, das sich beim Lösen des Ammoniaks in Wasser bildet, gegen ein anderes Kation, insbesondere das Natriumion tauscht und der Anionenaustauscher, die bei der Lösung des Ammoniaks in Wasser entstehenden Hydroxylanionen gegen andere Ionen, insbesondere Chloridionen tauscht,
- • die Hydrogencarbonatanionen, die durch Lösen von Kohlensäure im Ammoniakwäscher entstehen, gegen Chloridionen getauscht werden, und
- • der mineralische Kationenaustauscher von dem Anionenaustauscher separiert und im Kalzinator kalziniert sowie der freiwerdende Ammoniak aus dem Kalzinator dem Ammoniakwäscher (
10 ) wieder als Regeneriermittel des Kationenaustauschers zugeführt und recycelt wird.
- • wherein the cation exchanger exchanges the ammonia in the form of its ammonium ion, which forms when dissolving the ammonia in water, against another cation, in particular the sodium ion and the anion exchanger, the resulting in the solution of ammonia in water hydroxyl anions against other ions, in particular chloride ions exchanges,
- • the bicarbonate anions, which are formed by dissolving carbonic acid in the ammonia scrubber, are exchanged for chloride ions, and
- The mineral cation exchanger is separated from the anion exchanger and calcined in the calciner, and the liberated ammonia from the calciner is added to the ammonia scrubber (
10 ) is recycled as a regenerating agent of the cation exchanger and recycled.
Der Kationentauscher ist ein schwach saurer Kationentauscher oder ein stark saurer Kationentauscher auch nicht mineralischen Ursprungs. Der mit Ammoniuminonen beladenen Kationenaustauscher bzw. das Magnesium-Ammonium-Phosphat wird als Düngemittel oder Düngemittelzusatzstoff eingesetzt. Als Anionentauscher werden sowohl schwach-basische und stark-basische Anionenaustauscher, als auch schwach-saure und stark saure Kationenaustauscher, auf mineralischer Zeolithbasis, verwendet. Das Zeolithmaterial ist ein Material, das einem der nachstehenden Strukturtypen entspricht: ABW, ACO, AEI, AEL, AEN, AET, AFG, AFI, AFN, AFO, AFR, AFS, AFT, AFX, AFY, AHT, ANA, APC, APD, AST, ASV, ATN, ATO, ATS, ATT, ATV, AWO, AWW, BCT, BEA, BEC, BIK, BOG, BPH, BRE, CAN, CAS, CDO, CFI, CGF, CGS, CHA, CHI, CLO, CON, CZP, DAC, DDR, DFO, DFT, DOH, DON, EAB, EDI, EMT, EON, EPI, ERI, ESV, ETR, EUO, EZT, FAR, FAU, FER, FRA, GIS, GIU, GME, GON, GOO, HEU, IFR, IHW, ISV, ITE, ITH, ITW, IWR, IVW, IWW, JBW, KFI, LAU, LEV, LIO, LIT, LOS, LOV, LTA, LTL, LTN, MAR, MAZ, MEI, MEL, MEP, MER, MFI, MFS, MON, MOR, MOZ, MSE, MSO, MTF, MTN, MTT, MTW, MWW, NAB, NAT, NES, NON, NPO, NSI, OBW, OFF, OSI, OSO, OWE, PAR, PAU, PHI, PON, RHO, RON, RRO, RSN, RTE, RTH, RUT, RWR, RWY, SAO, SAS, SAT, SAV, SBE, SBS, SBT, SFE, SFF, SFG, SFH, SFN, SFO, SGT, SIV, SOD, SOS, SSY, STF, STI, STT, SZR, TER, THO, TON, TSC, TUN, UEI, UFI, UOZ, USI, UTL, VET, VFL VNI, VSV, WEI, WEN, YUG und ZON.The cation exchanger is a weakly acidic cation exchanger or a strongly acidic cation exchanger, also of non-mineral origin. The ammonium ion-loaded cation exchanger or the magnesium ammonium phosphate is used as fertilizer or fertilizer additive. The anion exchangers used are both weakly basic and strongly basic anion exchangers, and weakly acidic and strongly acidic cation exchangers based on mineral zeolite. The zeolite material is a material that conforms to one of the following structural types: ABW, ACO, AEI, AEL, AEN, AET, AFG, AFI, AFN, AFO, AFR, AFS, AFT, AFX, AFY, AHT, ANA, APC, APD , AST, ASV, ATN, ATO, ATS, ATT, ATV, AWO, AWW, BCT, BEA, BEC, BIK, BOG, BPH, BRE, CAN, CAS, CDO, CFI, CGF, CGS, CHA, CHI, CLO , CON, CZP, DAC, GDR, DFO, DFT, DOH, DON, EAB, EDI, EMT, EON, EPI, ERI, ESV, ETR, EUO, EZT, FAR, FAU, FER, FRA, GIS, GIU, GME , GON, GOO, HEU, IFR, IHW, ISV, ITE, ITH, ITW, IWR, IVW, IWW, JBW, KFI, LAU, LEV, LIO, LIT, LOT, LOV, LTA, LTL, LTN, MAR, MAZ , MEI, MEL, MEP, MER, MFI, MFS, MON, MOR, MOZ, MSE, MSO, MTF, MTN, MTT, MTW, MWW, NAB, NAT, NES, NON, NPO, NSI, OBW, OFF, OSI , OSO, OWE, PAR, PAU, PHI, PON, RHO, RON, RRO, RSN, RTE, RTH, RUT, RWR, RWY, SAO, SAS, SAT, SAV, SBE, SBS, SBT, SFE, SFF, SFG , SFH, SFN, SFO, SGT, SIV, SOD, SOS, SSY, STF, STI, STT, SZR, TER, THO, TONE, TSC, TUN, UEI, UFI, UOZ, USI, UTL, VET, VFL VNI, VSV, WEI, WEN, YUG and ZON.
Der aus der Kalzinierung erhaltene Kationenaustauscher und der mit Hydroxylanionen und Hydrogencarbonatanionen beladene Anionenaustauscher tauscht in einer Meerwasserentsalzungsanlage, in dem das Meerwasser bevorzugt in einem Mischbett aus Kationen- und Anionenaustauscher durch Austausch der im Meerwasser enthaltenen Anionen und Kationen gegen Wasserstoffkationen und Hydroxylanionen, die im Moment des Freiwerdens im Wasser zur Entsalzung des Meerwasser reagieren. Das Kohlendioxid aus der Verbrennung des Synthesegases wird in das aus der Entsalzung stammenden Wassers gelöst und über ein Bett aus Calciumcarbonat geleitet, wobei das Wasser durch Lösen des Calciumcarbonats als Calciumhydrogencarbonat zu Trinkwasser aufgehärtet wird.The cation exchanger obtained from the calcination and the anion exchanger loaded with hydroxyl anions and bicarbonate anions exchanged in a seawater desalination plant in which the seawater is preferably mixed in a mixed bed of cation and anion exchangers by exchanging the anions and cations contained in the seawater for hydrogen cations and hydroxyl anions Getting released in the water to desalinate the seawater. The carbon dioxide from the combustion of the synthesis gas is dissolved in the desalting water and over a bed of calcium carbonate passed, wherein the water is hardened by dissolving the calcium carbonate as calcium bicarbonate to drinking water.
Das salzhaltige Wasser wird mit der Pflanzenkohle vorgereinigt und das Abgas aus der Verbrennung des Synthesegases wird. bevor es zur Aufhärtung des salzhaltigen Wasser dient, ebenfalls über die Pflanzenkohle gereinigt. Das Synthesegas wird im Filter (
Der Ammoniak kann in einer weiteren Ausfertigung der Erfindung einen nicht sinterbaren Kationenaustauscher beladen und dass beim Erzeugen von entsalztem Wasser Ammoniumionen gegen Natriumionen tauschen und die Ammoniumionen werden durch Zugabe von Magnesiummonohydrogenphophat oder Magensiumdihydrogenphosphat als Magnesium-Ammonium-Phosphat gefällt und das erhaltene Magnesium-Ammonium-Phosphat wird gesintert, wobei sich Ammoniak und Magnesiumhydrogenphosphat zurückbilden.In a further embodiment of the invention, the ammonia can load a non-sinterable cation exchanger and exchange ammonium ions for sodium ions when producing deionized water and the ammonium ions are precipitated by adding magnesium monohydrophosphate or magnesium dihydrogen phosphate as magnesium ammonium phosphate and the resulting magnesium ammonium phosphate is sintered, whereby ammonia and magnesium hydrogen phosphate regress.
Die Vergasung kann durch externen Zusatz von Wasserdampf und/oder Kohlendioxid soweit gesteuert werden, dass entweder Pflanzenkohle, Aktivkohle oder anorganischer Kohlenstoff in Form von Graphit entsteht. Die Pflanzenkohle oder Aktivkohle oder der anorganische Kohlenstoff wird mit dem überschüssigen ammoniumbeladenen Kationenaustauscher auf mineralischer Basis vereint und gemeinsam mit Biomasse, insbesondere Milchsäurebakterien milchsauer fermentiert und so entsteht ein weiteres Düngemittel bzw. ein Bodensubstrat.The gasification can be controlled by the external addition of water vapor and / or carbon dioxide to the extent that either biochar, activated carbon or inorganic carbon in the form of graphite is produced. The biochar or activated carbon or the inorganic carbon is combined with the excess ammonium-loaded cation exchanger on a mineral basis and fermented lactic acid together with biomass, in particular lactic acid bacteria, thus producing a further fertilizer or a soil substrate.
Im Falle der Vergasung von Klärschlamm hat dies zum besonderen Vorteil, wenn der Kohlenstoff vollständig anorganisch und damit elektrische leitfähig geworden ist, dass der Klärschlamm seine Klärschlammeigenschaften im Sinne der Klärschlammverordnung verlieren kann und so als Düngemittel eingesetzt werden kannIn the case of the gasification of sewage sludge, this has the particular advantage when the carbon has become completely inorganic and thus electrically conductive, that the sewage sludge can lose its sewage sludge properties in terms of sewage sludge regulation and can be used as fertilizer
An der Fermentation sind Milchsäurebakterien, Hefen, Pilze, Archaebakterien und Algen beteiligt,insbesondere Symbiosen aus diesen Mikroorganismen, wie sie z.B. in Lebensmitteln wie Kefir, Lambic (belgisches Bier), Nukazuke (japanische Pickles), Natto (fermentierte Sojabohnen), Tempeh, Wasserkefir, Kombucha, Sauerkraut, Kimchi, Joghjirt Skye, Käse, Rohwurst, Silage, Sauerteig, Brottrunk, Miso, Quark etc. wrjserrrmen, besonders bevorzugt sind die Mikroorganismen aus Kefir und Larmbic. An der Fermentation können auch Probiotika aus der Tier-und Humanernährung beteiligt sein , wie z.B. Enterococcus faecium, Enterococcus faecalis, Laktobazillen, Bifidobakterien, Escherichia coli, Saccharomyces boulardi, Saccharomyces cerevisia. Das Kohlendioxid wird in ein Wasser - Brauch-, Trink- oder auch Meerwasser eingeleitet, um Algen zu züchten.The fermentation involves lactic acid bacteria, yeasts, fungi, archaebacteria and algae, in particular symbioses of these microorganisms, e.g. in foods such as kefir, lambic (Belgian beer), nukazuke (Japanese pickles), natto (fermented soybeans), tempeh, water kefir, kombucha, sauerkraut, kimchi, yogurt Skye, cheese, raw sausage, silage, sourdough, bread drink, miso, quark etc , especially preferred are the microorganisms of kefir and larmbic. Probiotics from animal and human nutrition may also be involved in the fermentation, e.g. Enterococcus faecium, Enterococcus faecalis, Lactobacilli, Bifidobacteria, Escherichia coli, Saccharomyces boulardi, Saccharomyces cerevisia. The carbon dioxide is introduced into a water - drinking water, drinking water or seawater to grow algae.
Verfahren der Ammoniak aus der Kalzinierung oder der Pyrolyse kann zu dem Kohlendioxid gegeben werden und so zur Düngung der Algen dienen Die fermentierte Aktivkohle wird in das Wasser, das zur Algenzucht dient, gegeben, um weitere für die Algenzucht benötigte Düngestoffe wie z.B. Phosphat in das Wasser einzubringen.Process of ammonia from calcination or pyrolysis can be added to the carbon dioxide and thus serve for the fertilization of algae. The fermented activated carbon is added to the water used for algae cultivation in order to obtain further fertilizers needed for the cultivation of algae, such as e.g. To introduce phosphate into the water.
Die Erfindung soll nun an Hand eines Beispiels näher erläutert werden, wobei die
- 1
- Synthesereaktor
- 2
- Schubbodenrost für die Biomasse
- 3
- Schubbodenrost fü den Katalysator
- 4
- Überhitzer
- 5
- Aktivkohle- Quensche
- 6
- Fermenter
- 7
- Austragsschnecke
- 8
- Staubabscheider
- 9
- Filter
- 10
- Ammoniakwäscher
- 11
- Hg- Filter
- 12
- lonentauscher
- 13
- Wasserzuführung
- 14
- Gaseingang
- 15
- Gasrückführungsleitung
- 16
- Synthesegasableitung
- 17
- Separator
- 18
- Meerwasserentsalzung
- 19
- Kalzinator
- 1
- synthesis reactor
- 2
- Sliding floor grate for the biomass
- 3
- Sliding floor grate for the catalyst
- 4
- superheater
- 5
- Activated carbon quenching
- 6
- fermenter
- 7
- discharge screw
- 8th
- dust collector
- 9
- filter
- 10
- ammonia scrubber
- 11
- Hg filter
- 12
- ion exchanger
- 13
- water supply
- 14
- gas input
- 15
- Gas recirculation line
- 16
- Synthesis gas discharge
- 17
- separator
- 18
- Desalination
- 19
- calciner
Die Wassermengen, die in der Biomasse vorhanden sind, reichen aus, um ein wasserstoffreiches Gas durch Vergasung mit dem Kohlenstoff aus der Biomasse herzustellen. Führt man dieses Gas also zurück, dann kann durch das Gas die Biomasse aufgeheizt werden und das in der Pyrolyse freiwerdende und verdampfende Wasser sowie das entstehende Kohlendioxid als Vergasungsmittel in einem Synthesegasreaktor genutzt werden.The amounts of water present in the biomass are sufficient to produce a hydrogen-rich gas by gasification with the carbon from the biomass. If this gas is returned, then the biomass can be heated by the gas and the water released and evaporated in the pyrolysis and the resulting carbon dioxide can be used as a gasification agent in a synthesis gas reactor.
Auch die Nutzung von Luft, Sauerstoff und Kohlendioxid sind an sich bekannt.The use of air, oxygen and carbon dioxide are known per se.
Der Synthesegasreaktor (
Es können aber auch bereist kalzinierte Mineralien auch in Mischung mit Karbonaten eingesetzt werden, wenn die Temperaturen es Prozesses 900 °C nicht übersteigen sollen. Das erzeugte Gas durchströmt das obere Schubbodenbett mit dem Katalysator, an dem Teere durch Cracken bis zu 99,99 % beseitigt werden, sowie durch chemische Reaktion Salzsäure und Schwefelwasserstoff als ihre Calciumsalze gebunden werden. Der Katalysator wirkt weiter, wenn er in die Biomasse fällt als Pyrolysehemmer und Katalysator für die gewünschten Vergasungsreaktionen. Teerbildung wird also weites gehend vermieden und die Synthesegasbildung gefördert. Des Weiteren wird über die Wahl und die Menge des Katalysators die Qualität der erhaltenen Pflanzenkohle, Aktivkohle oder des Graphits bestimmt, da diese andere Eigenschaften z.B. bezüglich des pH-Wertänderung bei Bewässerung als Pflanzsubstrat haben, wenn anstatt Dolomit, gebrannter oder halbgebrannter Dolomit eingesetzt wird.However, already calcined minerals can also be used in mixtures with carbonates, if the temperatures of the process do not exceed 900 ° C. The generated gas flows through the upper moving-bed bed with the catalyst where tars are eliminated by cracking up to 99.99%, and by chemical reaction, hydrochloric acid and hydrogen sulfide are bound as their calcium salts. The catalyst continues to function when it falls into the biomass as a pyrolysis inhibitor and catalyst for the desired gasification reactions. Tar formation is thus largely avoided and promoting the formation of synthesis gas. Further, the choice and the amount of catalyst determine the quality of the obtained biochar, activated carbon or graphite, since these have different properties, e.g. with regard to the change in pH when irrigated as a plant substrate, if instead of dolomite, burnt or semi-calcined dolomite is used.
Die Wärmeübertragung erfolgt durch Rezirkulieren des Synthesegases über die Biomasse und das Katalysatorbett. Das Synthesegas strömt in einen Überhitzer (
Die hier erzeugte Kohle hat durch die Gasrückführung und die zusätzliche Eindüsung von Wasser und/oder Dampf bzw. die zusätzliche Zugabe von C02 durch das Kalzinieren des Katalysators bei der es zu weiteren Vergasungsreaktionen auf der Oberfläche der Kohle kommt, eine größere innere Oberfläche (mehrere 1000 qm pro g) als übliche in Terra-Preta eingesetzte Pflanzenkohle (50 bis 300 g pro qm). Die Aktivierung dieser Kohle mit Nitrifikanten und einer Hefe-Bakterienmischung aus der Bierherstellung von Lambic zeigt hier überraschender Weise eine wesentlich höhere Aufnahme von Nitrat (bis zu 200% mehr) als übliche biologisch aktivierte Pflanzenkohlen.The coal produced here has a larger internal surface area (several thousandths of thousands) due to the gas recirculation and the additional injection of water and / or steam or the additional addition of CO.sub.2 by the calcination of the catalyst, which leads to further gasification reactions on the surface of the coal qm per g) than usual biochar used in Terra-Preta (50 to 300 g per square meter). The activation of this coal with nitrifying bacteria and a yeast-bacterial mixture from the beer production of Lambic surprisingly shows a much higher uptake of nitrate (up to 200% more) than conventional biologically activated plant carbon.
Die Pflanzenkohle , die hier auch als Aktivkohle genutzt werden kann, spielt in diesem gesamten Prozess eine zentrale Rolle: Das in dem Prozess entstehende Wasser und durch Trocknen der Biomasse verdampfende Wasser wird gezielt kondensiert und mit der eigen erzeugten Aktivkohle gereinigt, so dass es letztendlich auch als Trinkwasser mindestens aber als Brauchwasser nutzbar wird. Ebenso kann der beim Verbrennen des entstehenden Synthesegases sich bildende Wasserdampf kondensiert werden und über die Aktivkohle gereinigt werden, so dass auch hier mindestens ein Brauchwasser entsteht.The biochar, which can also be used here as activated carbon, plays a central role in this entire process: the water produced in the process and the water evaporating by drying the biomass is condensed in a targeted manner and purified with the self-generated activated carbon, so that ultimately it can as drinking water at least but as process water becomes usable. Likewise, the water vapor which forms when the synthesis gas is formed can be condensed and purified via the activated carbon, so that at least one service water is also produced here.
Eine weitere Verwendung dieses Wassers ist das Waschen des Abgasstromes in den Ammonikawäschern (
Durch das Verfahren der Pyrolyse stehen hohe Temperaturen > 360 °C zur Kalzinierung des ammoniumbeladenen Kationentauschers zur Verfügung. Daher wird es möglich auf diese Weise, den Ammoniak als Regeneriermittel für einen mineralischen Kationentauscher in der Natriumform zurückzugewinnen.Due to the pyrolysis process, high temperatures> 360 ° C are available for calcination of the ammonium-loaded cation exchanger. Therefore, it becomes possible in this way to recover the ammonia as a regeneration agent for a mineral cation exchanger in the sodium form.
Mit dem mit Hydroxylionen und Hydrogencarbonationen beladenen Anionentauscher und dem nach dem kalzinieren mit Wasserstoffkationen beladenen mineralischen Kationentauscher steht nun ein lonentauschersystem zur Vollentsalzung von Wasser zur Verfügung. With the anion exchanger loaded with hydroxyl ions and hydrogen carbonate ions and the mineral cation exchanger loaded after the calcination with hydrogen cations, an ion exchange system for the demineralisation of water is now available.
Dadurch, dass das Regeneriermittel durch die Kalzinierung wieder gewonnen werden kann, ist es nun zum ersten Mal auch möglich lonentauscher für die Entsalzung von Meerwasser einzusetzen, was bisher an der Notwendigkeit der Bereitstellung von Regeneriermitteln scheiterte, die sämtlich zu einer weiteren Aufsalzung führen würden.The fact that the regenerant can be recovered by the calcination, it is now possible for the first time to use ion exchanger for the desalination of sea water, which previously failed because of the need to provide regenerants, all of which would lead to further salification.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird der Ammoniak in Wasser gelöst. Die Hydroxylionen mit einem Anionentauscher gegen Chloridionen ausgetauscht und das Ammonium gegen Natrium, das sich auf einem stark oder schwach sauren Kationentauscher, auch nicht-mineralischer Herkunft befindet, ausgetauscht. Damit sind die lonentauscher regeneriert und salzhaltiges Wasser kann darüber entsalzt werden, so dass sich im erzeugten Wasser nun Ammoniumionen und Hydroxylionen befinden. Dem Wasser wird nun Magnesiummonohydrogenphosphat zugeben und so festes Magnesium-Ammonium-Phosphat gefällt. Damit tauscht das Hydrogenkation des Phosphats mit dem Ammoniumion aus und mit dem Hydroxylanion im Wasser ergibt sich wiederum Wasser und das salzhaltige Wasser ist entsalzt. Das erhaltene Magnesium-Ammonium-Phosphat wird abfiltriert und geröstet, so dass Ammoniak als Gas frei wird und wiederum Magnesiummonohydrogenphosphat entsteht.In a further process according to the invention, the ammonia is dissolved in water. The hydroxyl ions exchanged with an anion exchanger for chloride ions and the ammonium exchanged for sodium, which is located on a strong or weakly acidic cation exchanger, also of non-mineral origin. Thus, the ion exchangers are regenerated and saline water can be desalted over it, so that in the produced water now ammonium ions and hydroxyl ions are. The water will now Magnesiummonohydrogenphosphat add and so solid magnesium ammonium phosphate precipitated. Thus, the hydrogen cation of the phosphate exchanges with the ammonium ion, and with the hydroxyl anion in the water, water again results and the salt-containing water is desalted. The resulting magnesium ammonium phosphate is filtered off and roasted so that ammonia is released as gas and magnesium monohydrogen phosphate is formed again.
In dem hier verwendeten Verfahren zur Entsalzung wird zunächst das Meerwasser über die in der Pyrolyse entstehende Kohle filtriert, um Algen, Plankton, Öl und andere Verunreinigungen zurückzuhalten. Einmal gesättigte Kohle wird der Pyrolyse wieder zugeführt.In the desalting process used here, the seawater is first filtered through the coal produced in the pyrolysis to retain algae, plankton, oil and other impurities. Once saturated coal is returned to the pyrolysis.
Das Meerwasser wird nun in einem zweiten Schritt mit Kationentauschern in der Natriumform und Anionentauschern in der Chloridform behandelt, um ein Wasser zu erhalten, in dem nur noch Natriumionen und Chloridionen vorhanden sind. Andere Ionen wie Magnesium, Kalium, Sulfat, Schwermetallionen, Barium, Strontium etc. befinden sich dann in einem Konzentrat, dass zur Gewinnung von Magnesium und anderen Stoffen weiter aufbereitet werden kann. Die lonentauscher werden z.B. durch das Konzentrat aus dem lonentausch mit ammoniumhaltigem Ammoniakwaschwasser regeneriert.The seawater is then treated in a second step with cation exchangers in the sodium form and anion exchangers in the chloride form in order to obtain a water in which only sodium ions and chloride ions are present. Other ions such as magnesium, potassium, sulfate, heavy metal ions, barium, strontium, etc. are then in a concentrate that can be further processed to obtain magnesium and other substances. The ion exchangers are e.g. regenerated by the concentrate from the ion exchange with ammonium-containing ammonia wash water.
Im dritten Schritt wird nun das Chloridion im Wasser gegen das Hydroxylion bzw das Hydrogencarbonation ausgetauscht. Die Lösung enthält nun Natronlauge bzw Natriumhydrogencarbonat. Diese Lösung wird mit dem kalzinierten Kationentauscher behandelt, der nun Wasserstoffkationen gegen Natriumionen tauscht, wodurch Wasser und Kohlensäure entsteht.In the third step, the chloride ion in the water is exchanged for the hydroxyl ion or the bicarbonate ion. The solution now contains sodium hydroxide or sodium bicarbonate. This solution is treated with the calcined cation exchanger, which now exchanges hydrogen cations for sodium ions, producing water and carbonic acid.
Im vierten Schritt gibt es die Möglichkeit, das Wasser zu verrieseln, um die Kohlensäure als Kohlendioxid auszutreiben oder aber das Wasser über ein Calciumcarbonatbett zu leiten, um Calciumhydrogencarbonat zu lösen. Hier gibt es zusätzlich die Möglichkeit das Wasser vorher mit mehr Kohlendioxid aus dem Abgas der Verbrennung des Pyrolysegases anzureichern, so dass sich mehr Calciumcarbonat als Calciumhydrogencarbonat lösen kann und das Wasser so zu Trinkwasser wird.In the fourth step, there is the possibility to trickle the water to expel the carbon dioxide as carbon dioxide or to pass the water over a calcium carbonate bed to dissolve calcium bicarbonate. Here, there is also the option to enrich the water beforehand with more carbon dioxide from the exhaust gas of the combustion of the pyrolysis gas, so that more calcium carbonate can dissolve as calcium hydrogencarbonate and the water thus becomes drinking water.
Die Menge an Kohlendioxid und der Ammoniak werden durch den Eintrag an Biomasse mehr, so dass diese Stoffe auch für andere Prozesse genutzt werden können:The amount of carbon dioxide and ammonia are more by the entry of biomass, so that these substances can also be used for other processes:
Mit Hilfe dieser Stoffe in Wasser gelöst können Algen gezüchtet werden. Algen haben einen dreifach höheren Kohlendioxidumsatz je Hektar als Mais und sind damit für die Energiegewinnung von großem Interesse. Zudem benötigen sie Phosphat. Das Phosphat aus der Biomasse in diesem Prozess steht in der Pflanzenkohle zur Verfügung, wenn man diese biologisch aktiviert und anschließend das Wasser zur Algenzucht, das mit Kohlendioxid und Ammoniumionen angereichert wurde, damit filtriert. Damit wird es möglich den Inputstoff für die Pyrolyse durch die eigenen Reststoffe Kohlendioxid, Ammoniak und Pflanzenkohle zu züchten.With the help of these substances dissolved in water algae can be bred. Algae have a threefold higher carbon dioxide turnover per hectare than maize and are thus of great interest for energy production. They also need phosphate. The biomass phosphate in this process is available in the biochar by biologically activating it and then filtering the water for algae cultivation enriched with carbon dioxide and ammonium ions. This makes it possible to grow the input material for pyrolysis through its own residues carbon dioxide, ammonia and biochar.
In leichter Weise kann das Magnesium-Ammonium-Phosphat genutzt werden. It is easy to use magnesium ammonium phosphate.
Gleiches gilt für das Betreiben von Gewächshäusern, die einerseits mit Abwärme der Pyrolyse geheizt werden können, andererseits mit der biologisch aktivierten Pflanzenkohle, dem Ammoniak und dem Kohlendioxid gedüngt werden können.The same applies to the operation of greenhouses, which can be heated on the one hand with waste heat from the pyrolysis, on the other hand, with the biologically activated biochar, the ammonia and carbon dioxide can be fertilized.
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