Hydrothermale Carbonisierung (HTC)

Im Rahmen des Projektes :metabolon wurde eine HTC-Anlage (Hydrothermale Carbonisierung) im Technikumsmaßstab auf dem Standort :metabolon des Bergischen Abfallwirtschaftsverbands errichtet und in Betrieb genommen.

Die Forschungssanlage veranschaulicht die Funktionsweise und das Wirkungsprinzip der Hydrothermalen Carbonisierung und ermöglicht Pilotversuche mit unterschiedlichen Biomassen. Im Rahmen des Projekts sollen verschiedene Biomassen mit Dampf karbonisiert werden. Dabei wird die Auswirkung der Prozessparameter Druck, Temperatur und Verweilzeit auf die Produkte HTC-Kohle und HTC-Prozesswasser ermittelt.

Die Erprobung und wissenschaftliche Untersuchung des HTC-Prozesses im halbtechnischen Maßstab für die genannten Anwendungsfelder ermöglicht die Identifikation geeigneter Biomassen und Reststoffe und dient der Verfahrensentwicklung und -optimierung. Als Einsatzstoffe kommen Klärschlamm, andere Schlämme und Trester sowie naturbelassene und schadstoffbelastete feuchte Biomassen in Frage.

Nutzungsproblematik

Die Ausbringung von Klärschlamm als Düngemittel in der Landwirtschaft soll deutschlandweit stark eingeschränkt und eventuell gänzlich eingestellt werden. Allerdings sind die, für die Landwirtschaft wichtigen Nährstoffe, wie Phosphor, Kalium, Stickstoff Schwefel und viele weitere Spurenelemente in Klärschlamm enthalten. Daneben kommen aber auch Schadstoffe wie Pestizide, Fungizide, Arzneimittel, weitere Chemikalien sowie unerwünschte Schwermetalle vor.

Ziel ist aus diesem Grund die Rückgewinnung der enthaltenen Nährstoffe, insbesondere von Phosphor, aus Klärschlamm. Hierbei steht der Ressourcenschutz im Vordergrund.

Die zurzeit gängige Methode der Klärschlammentsorgung ist die Co-Verbrennung in Feuerungsanlagen (Kraftwerke, Zement- und Klinkerindustrie, Müllverbrennung). Dabei kommt entwässerter Klärschlamm mit ca. 30% TS und 70% Restwasser zum Einsatz, der aufgrund  des  hohen  Wassergehalts  getrocknet  werden  muss,  wodurch  die  thermische Entsorgung teuer wird. Des Weiteren wird die Klärschlammasche mit der Asche der Hauptfeuerung vermischt, was die gewünschte Phosphorrückgewinnung erschwert.

Ziele und Vorteile

Der HTC Prozess erlaubt die effiziente Verwertung feuchter, problematischer sowie schadstoffbelasteter Biomassen und Reststoffe. Somit kann gepresster Klärschlamm ohne vorherige Trocknung direkt verwertet werden. Der Klärschlamm wird dabei hygienisiert und es wird erwartet, dass sich neben der verwertbaren HTC-Kohle wertvolle Inhaltsstoffe in der Flüssigphase ansammeln und auch die Phosphorrückgewinnung erleichtert wird.

Darüber hinaus erlaubt HTC den Einsatz von energiearmer, wasserreicher Biomasse zur Herstellung des Energieträgers HTC-Kohle, als Alternative zur Kompostierung oder Vergärung und das Verfahren kann ebenso für die Entsorgung von invasiven oder belasteten Pflanzen genutzt werden.

Neben der Herstellung von HTC-Biokohle für die Energiegewinnung oder Prozessverbesserung, liegt das Augenmerk auf der Verwertbarkeit des Prozesswassers. Die erzeugten Produkte sollen zunächst innerhalb der auf :metabolon vorhandenen verschiedenen Anlagen verwendet und auf die Eignung zur Weiternutzung getestet werden.

Ein weiteres Ziel ist die gezielte Umsetzung / Zerstörung von belastenden Inhaltsstoffen wie Fungiziden, Pestiziden oder Arzneimitteln (Klärschlamm) oder die gezielte Entsorgung invasiver Pflanzen (z.B. Riesenbärklau, Jakobs-Kreuzkraut).

Der letzte Zielpunkt liegt in der Rückgewinnung von Inhaltsstoffen oder in der Herstellung von Zwischenprodukten für die Rückgewinnung. Forschungsschwerpunkte sind die Bereitstellung eines Zwischenprodukts zur Rückgewinnung von Phosphor und weiteren Düngestoffen einerseits und der Rückgewinnung von Schwermetallen andererseits.

HTC im kaskadierten Einsatz

Im Projekt :metabolon stehen neben der Hydrothermalen Carboniserung noch viele weitere Verfahren zur Verfügung, die im kaskadierten Einsatz kombiniert werden, so dass es vielfältige Möglichkeiten zur weitern Verwendung der HTC-Kohle und des HTC-Wassers. So kann z.B. die HTC-Kohle in Biogasanlagen zur Prozessstabilisierung eingesetzt werden, indem Hemmstoffe in der Kohle gebunden werden und den Bakterien zusätzliche Aufwuchsfläche zur Verfügung steht. Das HTC-Wasser kann wiederum zur Biogasproduktion oder in der Prozesswasseraufbereitungsanlage (externe C-Quelle) verwendet werden.

Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch die Kombination von HTC mit den Verbrennungs-, Vergasungs- und Pyrolyse-Anlagen. Hier soll insbesondere die stoffliche Nutzung der Inhaltsstoffe durch besseren Aufschluss in kombinierten Prozessen vorangetrieben werden.

HTC-Anlage

Bei der hydrothermalen Carbonisierung wird der natürliche Inkohlungsprozess der fossilen Kohle technisch nachempfunden und durch höhere Temperaturen beschleunigt. Insbesondere feuchte Biomasse wird dabei in gesättigter Dampfatmosphäre bei Temperaturen zwischen 180 – 240 °C bei ca. 15 – 32 bar für 2 – 10 Stunden zu Kohle verarbeitet. Dabei werden die natürlichen Strukturen der Edukte aufgebrochen sowie Wasser und Kohlenstoffdioxid abgetrennt. Hierdurch steigt der Kohlenstoffanteil im Produkt und der Heizwert der Kohle verbessert sich.

Der Reaktor der Forschungsanlage wird batchweise betrieben: Zunächst wird die Biomasse in den Reaktor gegeben und dann mit Dampf auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt. Anschließend wird der Reaktor über die gewünschte Reaktionszeit auf Temperatur gehalten. Nach Abschluss der Reaktion wird der Behälter entspannt und abgekühlt. Die erzeugte HTC-Kohle wird mit dem Rührwerk ausgetragen und anschließend getrocknet. Das angefallene HTC-Kondensat wird zum Teil während des Prozesses, zum Teil gemeinsam mit der HTC-Kohle abgezogen.

Technische Daten zum Kessel:

  • Technikums-Batch-Reaktor wurde 2015 in Betrieb genommen
  • Kessel verfügt über ein Nettovolumen von 2.3 m3
  • Kesseldruck: max. 30 bar
  • Temperatur des Wasserdampfs: max. 230 oC
  • 16 Dampfdrüsen: am Kesselboden im Winkel von 30 o  installiert
  • Befüllung und Entleerung erfolgen manuell
  • Kondensat wird über einen Kühler aus dem Reaktor abgezogen
  • Rührwerk: reversibel und über Drehzahl regelbar
    • Material wird hierdurch besser verteilt
    • Wärmeübergang und Reaktionen werden beschleunigt
    • Material wird zum Austragstutzen transportiert
  • problemloser Einsatz von feiner oder stückiger Biomasse - keine aufwändige Aufbereitung notwendig
  • Störstoffabtrennung bequem nach erolgter Karbonisierung möglich