(57)【要約】【課題】水熱炭化では、高圧および高温でかつ蒸気を供給して反応槽内で炭化反応が行われる。反応器への装入はバッチプロセスで進行するため、バイオマスをまずパルパーに装入し、そこで予め加熱しておくことが望ましい。これに対して、反応器から出たスラリーについては、その後で緩衝槽内で冷却することが望ましい。【解決手段】このため本発明では、スラリーの冷却とバイオマスの予熱とを併せて行うことを提案する。このためには、パルパー内に熱交換器を配置し、緩衝槽内にもう１つの熱交換器を配置して、これらの熱交換器が熱循環部に接続されていることが望ましい。このようにして、冷却すべきスラリーが、加熱すべきバイオマスへとその熱を放出することができる。こうすることで、系から失われて他の箇所で再度この系に供給する必要のあるエネルギーが大幅に低減されるという効果が奏される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水熱炭化反応を行うための装置であって、該装置は反応槽（１）を含み、
該反応槽（１）は、
高温蒸気を取り込むために蒸気発生装置（４）と接続されており、
バイオマスを取り込むために供給管（８）を介して混合槽と接続されており、かつ
該反応槽（１）内で高温蒸気とバイオマスとから生じるスラリーを排出するために、緩衝槽（３）と接続されている
装置において、
前記混合槽は、パルパー（２）としての形であり、該パルパー（２）は、該パルパー（２）に装入されたバイオマスへ放熱するための第１の熱交換器（１３）を備え、
前記反応槽（１）から前記緩衝槽（３）へと排出されるスラリーの熱を閉鎖式熱循環部（９）に取り込むために、前記第１の熱交換器（１３）と、前記緩衝槽（３）に組み込まれた第２の熱交換器（１４）とが接続されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記パルパー（２）および／または前記緩衝槽（３）は、二重壁式の外部ジャケット（１５）を備え、該外部ジャケット（１５）は空隙（１６）を形成し、該空隙（１６）は前記熱循環部（９）と接続されており、かつ該空隙（１６）を熱媒が通って流れることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記二重壁式の外部ジャケット（１５）は、断熱層（１７）で包囲されていることを特徴とする、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記パルパー（２）および／もしくは前記緩衝槽（３）は少なくとも１つのコイル式熱交換器（１８）に包囲されており、かつ／または前記パルパー（２）および／もしくは前記緩衝槽（３）に少なくとも１つのコイル式熱交換器（１８）が通っていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記熱循環部（９）に第３の熱交換器が少なくとも１つ組み込まれており、該第３の熱交換器によって、前記熱循環部（９）からの熱の排出および／または前記熱循環部（９）への熱の供給を狙い通りに行うことができることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記熱循環部（９）内で、熱媒として熱媒油が案内されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
前記パルパー（２）と前記反応槽（１）とは、前記供給管（８）以外にガス管（１０）をも介して接続されており、前記反応槽（１）から排出された清浄化ガスを前記パルパー（２）に供給できることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
前記パルパー（２）は、高温蒸気を供給するために蒸気管（１１）を介して前記蒸気発生装置（４）と接続されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
前記パルパー（２）は、バイオマスと高温蒸気とを混合する手段を備えることを特徴とする、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記バイオマスと高温蒸気とを混合する手段は、非対称の撹拌装置および／または混合ノズル集成体であることを特徴とする、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記パルパー（２）と前記反応槽（１）との間の前記供給管（８）に遠心ポンプが組み込まれていることを特徴とする、請求項８から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記パルパー（２）は、砂状物およびスラッジを沈殿させるためのホッパ形状の底部を備え、前記ホッパの先端部に組み込まれた排出口は、砂状物分離装置（５）と接続されていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
１つのパルパー（２）に対し、同種の反応槽（１）が並列して複数割り当てられていることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
前記パルパー（２）および／または前記緩衝槽（３）はそれぞれ、互いに連通する複数の槽ユニットから構成されており、該槽ユニットは、好ましくは同種のものであることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水熱炭化反応を行うための装置であって、該装置は反応槽を含み、
該反応槽は、
高温蒸気を取り込むために蒸気発生装置と接続されており、
バイオマスを取り込むために供給管を介して混合槽と接続されており、かつ
該反応槽内で高温蒸気とバイオマスとから生じるスラリーを排出するために、緩衝槽と接続されている装置に関する。
【０００２】
この種の装置は、すでに独国特許出願公開第１０２０１１００１１０８号明細書（ＤＥ  １０  ２０１１  ００１  １０８  Ａ１）の記載から知られている。この文献では、反応槽内で水熱炭化反応が行われるが、この反応槽には、混合槽あるいは予熱槽から材料が供給される。この混合槽は、固形物移送用ポンプを介して反応槽と接続されており、圧力および温度ともに反応器内の反応条件よりも低い状態で前処理した後に、この固形物移送用ポンプによってバイオマスを反応器に搬入する。こうした混合槽は、多少なりともバッチを準備してからこれをすべて反応器に移して該混合槽を空にすることが可能なように設計されている。
【０００３】
その後、本来の炭化反応が、反応槽内で約２５バールの圧力で２１０℃〜２３０℃の温度で行われる。この際、まずバイオマスの構造が分解され、それによって加水分解の範囲でバイオマスのセルロースが分解されてグルコースが生成される。その後に、本来の炭化が行われる。この際に、高温蒸気の供給だけでなくバイオマスの混合も行われ、そうすることで、混合物中の含水率が高まるとともにスラリーが形成され、このスラリーにおいて、炭化反応が最大限効率的に進行しうる。最後に、後続の縮合の範囲で、まず水溶性の炭素成分が合してより大きな分子となる。
【０００４】
この従来の方法の実施形態では、この反応の後に緩衝槽が予定されており、反応が完了した反応槽のスラリーがこの緩衝槽に移される。この緩衝槽で、このスラリーが再びより低い圧力水準でゆっくりと冷却される。
【０００５】
この方法では最後に、バイオマスを、エネルギー担体であるバイオ炭に転化させることが予定されている。最大限効率的に作業を行うためには、この方法においてエネルギーを最大限削減することが望ましく、さらには系の稼働率という観点からも最大限効率的に作業を行うべく、この稼働率を最適化することが重要である。
【０００６】
こうした背景に鑑み、本発明は、エネルギー収支のさらなる改善と、上述の方法の効率の向上とを課題とする。
【０００７】
前記課題は、請求項１に記載の特徴による水熱炭化反応を行うための装置により解決される。後続の従属請求項の記載から、該装置のさらなる合理的な実施形態を得ることができる。
【０００８】
本発明では、前記課題の解決策として、単純な混合槽ではなく、いわゆるパルパーを使用することを予定している。このパルパーには、１日分のバイオマスのストックをすべて多少なりとも永続的に蓄えて準備しておくことができ、それによって反応槽への充填を定期的に行うことができる。そのために、バイオマスの加熱および混合をすでにパルパー内で行っておき、好ましくはすでにこのパルパー内で高温蒸気も加えて、スラリーの生成をすでにこのパルパー内で行っておく。そうすることで、このスラリーを極めて容易にかつ速やかに反応槽にポンプ移送することができる。これによって、これまで固形物移送用ポンプによる反応槽へのバイオマスの輸送に要していた稼働休止期間が短縮されることとなる。
【０００９】
しかしとりわけ、このパルパーと一体化されている第１の熱交換器を使用することが特に好ましい。この第１の熱交換器と第２の熱交換器とが一緒になって熱循環部が形成されている。この第２の熱交換器は緩衝槽と一体化されており、反応が完了して反応器から排出されたスラリーの熱がこの緩衝槽で取り込まれる。この緩衝槽で取り込まれた熱は、熱循環部を介してパルパーへと輸送され、ここでこの熱がバイオマスに取り込まれる。これによって再び冷却作用を有することとなった熱媒が、緩衝槽内の第２の熱交換器へと返送され、ここでこの熱媒によって再びスラリーが冷却される。このスラリーは、その熱をこの熱媒に伝える。
【００１０】
これによって、熱循環部が形成される。この熱循環部では、冷却すべきスラリーの熱が加熱すべきバイオマスへと伝えられ、その結果、１度この系に供給されたエネルギーがこの系内で持続的に保たれる。さらに、これに加えて外部から影響を与えうるようにするために、この熱循環部内に少なくとももう１つの熱交換器が予定されていてもよい。こうした熱交換器によって、熱循環部への熱の供給や熱循環部からの熱の取り出しを狙い通りに行うことができる。
【００１１】
こうした熱交換器を、様々な様式で実現することができる。１つの方法としては、各槽を二重壁式の外部ジャケットで包囲することが挙げられる。その場合、こうして２つの外壁の間に生じる空隙に熱媒を通して流すことができ、使用箇所に応じて、これら２つの壁のうち内側の方の壁からの吸熱またはこれに対する放熱が行われる。パルパーがさらに撹拌装置を備える場合には、熱媒を、混合により生じるバイオマスにおける流れに対して向流で案内することが合理的でありうる。
【００１２】
この際、熱媒の放射による熱損失を低減するために、パルパーおよび緩衝槽の外部に断熱層を施与することが合理的でありうる。
【００１３】
あるいは、またはこれに加えてさらに、各槽に１つまたは複数のコイル式熱交換器が通っていてもよい。こうしたコイル式熱交換器は、各槽の内部に途切れなくずっと延びているか、または各槽を包囲して蛇行および螺旋に基づいて最大限の面積を有する。緩衝槽内の熱交換器の場合、この熱交換器は冷却コイルであり、パルパー内の熱交換器の場合、この熱交換器は加熱コイルである。特に適した熱媒は熱媒油であり、これを熱循環部において使用することが好ましい。
【００１４】
しかしパルパーは、その熱をこの熱循環部を介して緩衝槽からのみ受け取らなくてはならないわけではない。特に、系の運転開始時に加熱のためのスラリーがまだ準備できていない場合には、他のパルパー加熱源が必要となる。
【００１５】
緩衝槽の前のステップで、反応槽の余剰熱を利用することができる。反応槽は、スラリー供給用の供給管以外にガス管をも備えており、このガス管を介して反応槽とパルパーとが接続されている。反応槽内の圧力が高すぎる場合には、このガス管を介して余剰のガス、いわゆるパージガス、つまり清浄化ガスを反応槽から排出してこのガスをパルパーに移し、このパルパーでこのガスによって昇温させることができる。
【００１６】
しかし最初は、パルパー内での加熱は、該パルパーと蒸気発生装置との接続部を介して行う必要がある。理想的にはこれは、反応槽に供給を行うのと同一の蒸気発生装置であってもよい。パルパーに高温蒸気を供給することによって、パルパー内でのバイオマスの加熱に必要なエネルギーの大半が調達される。
【００１７】
さらに、バイオマスと高温蒸気とを混合する手段をパルパーに組み込むことで、パルパー内のバイオマスを、その運転温度であるほぼ９０℃へと一様に加熱することができる。こうした手段は、様々な種類の撹拌・混合装置であってよく、例えば混合ノズル集成体であってよく、さらには１つまたは複数の撹拌アームを備えた機械的撹拌装置であってもよい。特に好ましくは、非対称の撹拌装置であって、バイオマスが円運動を行うだけでなく乱流をも生じさせうるものを使用することができる。パルパー内に混合ノズル集成体が存在する場合、特にパージガスを反応槽からパルパーに導入することができ、それによって、反応槽のエネルギーが、バイオマスの加熱にだけでなくバイオマスの混合にも利用されることとなる。
【００１８】
さらに、パルパーへの高温蒸気の供給によりバイオマスを液化させることができ、その結果、反応槽へのバイオマスの移送に固形物移送用ポンプを使用しなくても済むようになり、バイオマスを例えば遠心ポンプで搬送することができるようになる。これによって、反応槽への材料の供給を明らかにより速やかに行うことができ、ひいては２つのバッチの間におかれるこの装置の稼働休止期間が短縮される。さらに遠心ポンプは、固形物移送用ポンプに対する、より低コストの代替物でもある。
【００１９】
パルパーの具体的な実施形態において、パルパーはホッパ形状の底部を備えてよく、この底部によって高重量成分をバイオマスから分離する。この底部に砂状物およびスラッジが沈殿し、これらを、ホッパの先端部の排出口を通じてパルパーから砂状物分離装置に向けて搬出する。
【００２０】
最後に、理想的な稼働率にするという意味では、複数の反応槽を１つの共有パルパーと接続することが合理的である。これによって、第１の反応槽の反応時間内に、この第１の反応槽がまた空になってこの第１の反応槽へのバイオマスの供給を再び開始できるようになるまでの間、次の反応槽の充填を開始することができる。そうすることで、１つのパルパーから例えば６つの反応槽を操作することが好ましい。緩衝槽についても同様のことが該当し、反応が完了した６つの反応槽のスラリーを、２つの緩衝槽に互いに交互に取り込むことが好ましい。
【００２１】
さらに、実際の反応では、パルパーおよび／または緩衝槽を単独の構成体として構築するのではなく、互いに連通する複数の槽を合して１つのパルパーあるいは１つの緩衝槽とすることが合理的でありうる。こうすることで特に、高価な特に大型の特殊な槽を建造するのではなく、廉価で入手しうる複数の槽を合して１つの槽集成体とすることができる。
【００２２】
上記で説明した本発明について、以下に実施例により詳説する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１に、本発明による装置の機能様式の概略図を示す。
【図２】図２に、熱循環部およびスラリー供給の概略図を示す。
【００２４】
図１に、本図の中央に位置する反応槽１を概略図で示す。この反応槽１は、供給管８を介してパルパー２と接続されており、このパルパー２から反応槽１に対して、前処理して液化させたバイオマスを供給する。このパルパー２内のバイオマスは貯蔵部６にあったものであり、この貯蔵部６に多量のバイオマスが装入される。この貯蔵部６とパルパー２との間には、搬送ユニットと、夾雑物分離部、特に金属分離装置とが存在し、これによって、パルパー２に向けてバイオマスの処理を行う。パルパー２と接続された反応槽１全体の１日の運転に必要な量を、供給管８を介してパルパー２にその都度移してここに装入する。加熱され、そして呼び出しを受けたバイオマスの分を、貯蔵部６からの低温の新たなバイオマスで直ちに補填する。このパルパー２には、蒸気管１１を介して蒸気発生装置４が接続されており、この蒸気発生装置４を介して高温蒸気がパルパー２に吹き込まれる。この蒸気によって、パルパー２に入っているバイオマスが加熱されるとともに、このバイオマスに水分が加わり、その結果、このバイオマスが液化されてスラリーが生成される。このパルパー２内のスラリーを、図１には図示していない非対称の撹拌装置によって混合する。それによって、一様な加熱が保証されるとともに、最大限均質な混合物が生じる。このパルパー２の底部領域には、バイオマス由来の砂状物およびスラッジが沈殿する。これらを、砂状物分離装置へと排出することができる。
【００２５】
熱エネルギー削減のため、反応槽１から、超過圧力でガス管１０を介していわゆるパージガスをパルパー２へと直接放出する。その結果、反応槽１から失われたエネルギーがこの系内でそのまま保たれる。この反応槽１にも、蒸気管１２を介して蒸気発生装置４から供給が行われ、それによって、反応槽１に必要な温度と、必要な水分と、必要な圧力とが生じ、こうして水熱炭化の反応条件が整えられる。
【００２６】
反応槽１内で反応を行った後、炭化したバイオマスを含有するスラリーを、もう１つの供給管８を介して緩衝槽３へと排出するが、この排出を、反応槽１と緩衝槽３との間の少なくとも部分的な均圧によって行うことができる。これらの槽１と槽３との間での圧力降下によって、スラリーはこのようにして極めて速やかに緩衝槽に吸い込まれ、この緩衝槽内で引き続きこのスラリーを冷却することができる。この冷却の後に、このスラリーは、もう１つの供給管８を介して後処理部７に達する。ここでは詳細には考慮していないさらなる方法では、スラリーから分離したプロセス水２０をまた反応槽１に返送することができ、この反応槽１において、このプロセス水になおも含まれている有機性負荷物を用いてさらなる反応を行うことができる。さらに、こうすることで、このプロセス水がこのプロセスで再利用され、またプロセス水に新鮮水を補わなくても済むようになる。
【００２７】
全体的に見ると、パルパー２および反応槽１にあるスラリーが加熱され、緩衝槽３にあるスラリーが冷却されることとなる。これら２つの槽２および３における熱交換器は、これら２つの槽２と３との間で熱循環部９を形成している。これらの熱交換器によって、緩衝槽３内のスラリーの熱をパルパー２内のバイオマスに伝えることができ、その結果、この系から失われるエネルギーを低減させることができる。パルパーに伝えられたこの熱エネルギーによって、パルパー２を必要な温度に保つのに必要となる高温蒸気の量が減る。
【００２８】
図２にもう１つの概略図を示すが、ここでは、考えられる熱交換器１３および１４を示す。１つには、槽２および３の外部ジャケット１５を二重壁式にするという方法がある。これら２つの壁の間には、空隙１６が生じている。熱損失を避けるため、この空隙１６は、外側が断熱層１７で覆われていてもよい。
【００２９】
パルパー２内の第１の熱交換器１３は、予め取り込んでおいた熱を、この二重壁式の外部ジャケット１５の内壁を介して放出する。それによって、このパルパー２に取り込まれたスラリーとこの内壁とが接触した際にこのスラリーが加熱される。さらに、パルパー２は加熱コイル１８を備える。この加熱コイル１８は、パルパー２内で途切れなくずっと延びており、これも同様にこのパルパー２の内部でスラリーに対して放熱する。
【００３０】
緩衝槽３内の第２の熱交換器１４は、原則的には同一の構造でこれと正反対に作動し、この緩衝槽３内では、熱循環部９中で案内される熱媒が、冷却すべきスラリーから熱エネルギーを受け取って、この熱エネルギーを熱循環部９を通じてパルパー２へと輸送する。コイル式熱交換器は、相応してやはり冷却コイル１９として機能する。
【００３１】
したがって上記に、水熱炭化反応を行うための装置であって、熱交換器を使用して系全体で熱を輸送することによりエネルギー収支を改善するとともに、すでにパルパー内でバイオマスを予熱して液化させておくことにより上述の方法の効率を向上させる装置を記載した。
【符号の説明】
【００３２】
１  反応槽
２  パルパー
３  緩衝槽
４  蒸気発生装置
５  砂状物分離装置
６  貯蔵部
７  後処理部
８  供給管
９  熱循環部
１０  ガス管
１１  蒸気管
１２  蒸気管
１３  第１の熱交換器
１４  第２の熱交換器
１５  外部ジャケット
１６  空隙
１７  断熱層
１８  加熱コイル
１９  冷却コイル
２０  プロセス水返送部
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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