DE102008012156A1

DE102008012156A1 - Schneckenförderer zur Einspeisung von Biomasse in einen Druckbehälter

Info

Publication number: DE102008012156A1
Application number: DE102008012156A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Tetzlaff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-01
Filing date: 2008-03-01
Publication date: 2009-09-03
Also published as: WO2009109337A1

Abstract

Die Einbringung eines heterogenen Feststoffes, wie Biomasse, in einen unter Druck stehenden Behälter ist schwierig. Die bisher genutzten Zellradschleusen und Druckschleusen weisen erhebliche Mängel auf. Die Nutzung von Standardschneckenförderern scheiterte bisher daran, dass sich hinter der Schneckenwendel ein Gaskanal bildete, der zu einem Druckverlust im Druckbehälter führte. Diese Unzulänglichkeiten werden dadurch gelöst, dass man einen Schneckenförderer nutzt, dessen Schneckenrohr (1) eine Abdichtzone (2, 2a) aufweist, die frei von Förderorganen ist. Die Erfindung eignet sich zur Einbringung von Biomasse in eine unter Druck stehende Vergasungsanlage zur Herstellung von Synthesegas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einspeisen von Biomasse in einen Behälter, der unter Überdruck steht. Eine vorteilhafte Anwendung ist die Zuführung von feuchter Biomasse in einen druckaufgeladenen Vergaser zur Herstellung von Synthesegas.
An sich ist es bei Vergasungsanlagen zur Erzeugung von Synthesegas wünschenswert, die Anlagen unter erhöhtem Druck von 2 bis 100 bar, vorzugsweise von 12 bis 40 bar, zu betreiben. Das gilt insbesondere für industrielle Anlagen, bei denen das Synthesegas zu anderen Produkten weiter verarbeitet und das Synthesegas oder seine Folgeprodukte in ein unter Druck stehendes Rohrnetz eingespeist, oder in einer Turbine verbrannt werden sollen.
Biomassevergasungsanlagen mit nennenswertem Überdruck nutzen heute entweder Zellradschleusen oder Druckschleusen, wobei die integrierten Förderschnecken die Biomasse ohne jeglichen Druckgradienten von den Schleusen in die Vergasungsanlage transportieren. Der Stand der Technik ist dokumentiert in: „Analyse und Evaluierung der thermo-chemischen Vergasung von Biomasse" Schriftenreihe „Nachwachsende Rohstoffe" Band 29, Landwirtschaftsverlag GmbH, Münster (2006). Relevant sind hier die Seiten 54–59 und Tabelle 2–7 auf Seite 72–73.
Die Standardschneckenförderer, bei denen die Schnecke sich über den gesamten Bereich zwischen Ein- und Ausgang erstreckt, sind in der Regel nur teilweise gefüllt. Das Gas aus einem Druckbehälter kann daher entgegen der Förderrichtung zurück strömen. Selbst bei vollständiger Füllung dieses Schneckenförderers bildet sich durch Verdichtung des Fördergutes ein Hohlraum hinter der Schneckenwendel in dem Gas zurück strömen kann.
Im Forschungszentrum Karlsruhe wurde unter dem Namen „Bioliq” ein Verfahren erarbeitet, das Biomasse in eine pumpfähige Flüssigkeit verwandelt. Das Verfahren wurde unter DE 10 2004 019 203 B3 offenbart. Das Verfahren ermöglicht zwar die Förderung der so hergestellten Flüssigkeit gegen einen hohen Druck. Das wird aber mit einem hohen Aufwand für die Herstellung dieser Flüssigkeit bezahlt.
Auch auf dem verwandten Gebiet der Einbringung von Braunkohle in eine, mit leichtem Überdruck betriebene Wirbelschicht zur Erzeugung von Wärme für ein Dampfkraftwerk, ist keine Übertragung für die Förderung von Biomasse in einen unter Druck stehenden Behälter von mehr als 2 bar ableitbar. Beispiele sind dafür der Rohrkettenförderer, der in DE 198 43 255 A1 offenbart ist, oder der Kolbenförderer, offenbart in DE 44 31 366 A1 .
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Druckbereich über 2 bar durch Modifikation einer einfachen bewahrten Fördereinrichtung zu erschließen.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren und einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. In den Ansprüchen 2 bis 14 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beschrieben.
Beschreibung der Erfindung
Biomasse ist ein sehr komplexer Rohstoff. Für die thermochemische Vergasung zu Synthesegas sind beispielsweise in Betracht zu ziehen:

– Holz mit unterschiedlichem Wassergehalt und von recht unterschiedlicher Beschaffenheit, beispielsweise Sägespäne und Hackschnitzel,
– Energiepflanzen als Frischmasse, siliert, ausgepresst oder getrocknet, grob- oder feinteilig,
– Öl in Mischungen mit fester Biomasse
– Körner und Fasern
– Lebensmittel aller Art und Abfälle aus der Lebensmittelindustrie
– Ausscheidungen aus der Tierhaltung

Die Biomasse soll als homogener Stoff oder in einer möglichst breiten Stoffmischung mit einem Schneckenförderer gegen einen Überdruck gefördert werden.
Nach Anspruch 1 ist eine weitgehende Abdichtung der Förderstrecke gegen den unter Druck stehenden Behälter dadurch erreichbar, dass der Schneckenförderer so ausgebildet ist, dass an seinem Ende eine Abdichtzone angeordnet ist, deren Merkmal das Fehlen von Förderelementen ist. Die Länge der Abdichtzone sollte größer sein als der Durchmesser des Schneckenrohres oder als der Spalt zwischen Schneckenwelle und Schneckenrohr, damit durch die Wandreibung ein Staudruck erzeugt wird und sich die, ursprünglich hinter der Schneckenwendel entstandenen Hohlräume, schließen können.
Nach Anspruch 2 kann diese Abdichtzone eine Querschnittsverengung aufweisen, die die Biomasse durch einen erhöhten Widerstand verdichtet. Die Querschnittsverengung muss auf die Stückigkeit der Biomasse Rücksicht nehmen.
Nach Anspruch 3 kann die Querschnittsverengung durch eine verstellbare Gegendruckeinrichtung vorgenommen werden. Damit kann eine abdichtende Förderstrecke für unterschiedliche Eigenschaften der Biomasse hergestellt werden.
Nach Anspruch 4 kann die Gegendruckeinrichtung aus einem verschiebbaren Dorn gebildet werden, dessen Spitze auch abgerundet sein kann.
Nach Anspruch 5 kann die Gegendruckeinrichtung durch ein konisch verengtes Rohrstück gebildet werden. Eine derartige Vorrichtung ist in EP 1 586 439 A1 für eine Schneckenpresse beschrieben, ohne dass diese Vorrichtung geeignet ist gegen einen Druckgradienten zu fördern, noch daraus eine Anleitung für das erfindungsgemäße Verfahren nahegelegt wird.
Nach Anspruch 6 kann der Schneckenförderer als Schneckenpresse ausgeführt sein. Das Ende der Schneckenpresse muss aber nach Anspruch 1 als Abdichtzone ausgebildet sein, die keine Schneckenwendel enthält.
Nach Anspruch 7 kann die Abdichtzone auch eine temporäre Querschnittserweiterung aufweisen. In dieser Zone können größere Biomasseteile von kleineren Biomasseteilen so eingeschlossen werden, dass sich insgesamt ein druckdichter Pfropfen ergibt.
Nach Anspruch 8 ist es für einige Arten von Biomasse vorteilhaft, diese durch Heizflächen am Schneckenrohr und, oder in der Schneckenwelle zu beheizen. Dadurch kann die Biomasse verkleistern und somit besser abdichten. Falls die Beheizung mit Prozesswärme erfolgt, führt dieses Verfahren auch zur Erhöhung der Effizienz des Prozesses.
Nach Anspruch 9 ist es für einige Arten von Biomasse vorteilhaft, den Schneckenförderer als Doppelschnecke auszuführen. Doppelschnecken führen zur Verkleinerung der Biomasseteilchen und zu einer besseren Vermischung.
Nach Anspruch 10 ist es zweckmäßig am Ender der Abdichtzone eine Zerteileinrichtung für die Biomasse vorzusehen. Die Zerteileinrichtung kann aus feststehenden Messern oder einer mechanisch angetriebenen Zerteileinrichtung bestehen. Auch eine Kombination dieser beiden Arten kann für den nachfolgenden Prozess vorteilhaft sein.
Nach Anspruch 11 erhält man einen besser abdichtenden Pfropfen in der Abdichtzone, wenn man ein breites Spektrum unterschiedlich großer Biomasseteilchen herstellt und diese dem Schneckenförderer zuführt
Nach Anspruch 12 ist es vorteilhaft, dem Schneckenförderer eine Mischung von harter und weicher Biomasse zuzuführen, beispielsweise eine Mischung aus Holz und Silage. Das erleichtert die Ausbildung eines gasdichten Pfropfens in der Abdichtzone.
Nach Anspruch 13 kann die Ausbildung eines Gasdichten Pfropfens in der Abdichtzone auch dadurch erreicht werden, dass man die Biomasse mit einer Flüssigkeit anmaischt. Das kann beispielsweise Wasser oder der Presssaft aus der kalt ausgepressten Biomasse sein.
Nach Anspruch 14 kann die Zuführung von vorgewärmter Biomasse sich vorteilhaft auf die Ausbildung eines druckdichten Pfropfens in der Abdichtzone des Schneckenförderers auswirken.
Beispiele
Die Erfindung wird an Hand der 1–5 beispielsweise beschrieben.
1 zeigt einen Schneckenförderer mit zylindrischer Abdichtzone.
2 zeigt einen Schneckenförderer mit konisch verengter Abdichtzone
3 zeigt eine Zerteileinrichtung am Ende der Abdichtzone
4 zeigt eine andere Ansicht der in 3 dargestellten Zerteileinrichtung
5 zeigt einen Schneckenförderer, der als Schneckenpresse ausgebildet ist.
1 zeigt einen Schneckenförder, bestehend aus einem Schneckenrohr 1, dessen Verlängerung eine Abdichtzone 2 bildet. Das Förderorgan besteht aus einer Schneckenwendel 3 und einer Schneckenwelle 4, die über eine Kupplung 5 mit einem Antrieb 6 verbunden ist. Die Biomasse 7, die aus einem hier nicht dargestellten Behälter entnommen sein kann, gelangt über die Zellradschleuse 8 in den Zulauftrichter 9 der Förderschnecke 3, 4 und wird als Pfropfen durch die Abdichtzone 2 an das Ende 10 des Schneckenförderers in den unter Überdruck stehenden Druckbehälter 11 geschoben. Für Wartungsarbeiten ist die Anordnung eines Absperrorgans 12 zwischen Schneckenförderer und Druckbehälter 11 zweckmäßig. Da ein Pfropfen aus fester Biomasse nicht ganz gasdicht ist, ist die Anordnung einer Absaugung 13 am Zulauftrichter 9 zweckmäßig. Die Absaugung enthält zweckmäßigerweise eine Messeinrichtung für den Volumenstrom und einen Detektor für ein aus dem Druckbehälter 11 stammendes Gas. Aufgrund dieser Daten kann man die Eigenschaften der zulaufenden Biomasse gezielt verändern. Die Dichtigkeit des Pfropfens lässt sich durch Mischen unterschiedlicher Biomasse, durch erwärmen und das Anmaischen mit einer Flüssigkeit verändern. Für den Fall, dass die Biomasse 7 einem Reaktor zur Herstellung von Synthesegas zugeführt werden soll, sollte der Wassergehalt der Biomasse durch Anmaischen möglichst unter 60% bleiben, damit der Wirkungsgrad der Vergasung nicht zu stark abnimmt.
In 2 wird die Biomasse 7 mittels Förderschnecke 3, 4 in den konischen Teil 2a der Abdichtzone 2 geschoben. Der konische Teil 2a der Abdichtzone wird hier durch die Verlängerung des konischen Schneckenrohres 1 gebildet. In der Zone 2 und 2a befinden sich keine Förderorgane. Durch den konischen Einlauf wird der aus Biomasse gebildete Pfropfen starker verdichtet. Am Ende 10 des Schneckenförderers ist es für die Weiterverarbeitung der Biomasse oft zweckmäßig eine Zerteileinrchtung 14 vorzusehen, wie sie in den 3 und 4 dargestellt ist. Die Zerteileinrichtung besteht hier aus kreuzweise angeordneten feststehenden Messern, die von einem Topf 15 gehalten werden, der zwischen den Flanschen des Schneckenförderers und des Druckbehälters 11 eingespannt ist. Bei dieser passiven Bauweise der Zerteileinrichtung 14 gibt es einen Rückstau des Biomassepfropfens. Das kann den Schneckenförderer überfordern, aber auch zur besseren Abdichtung in der Abdichtzone 2 führen. Die Feinheit der Zerteilung sollte durch Versuche auf die zu fördernde Biomasse abgestimmt werden. Eine aktive Bauweise der Zerteileinrichtung 14 verursacht dagegen keinen Rückstau.
5 zeigt einen Schneckenförderer, der als Schneckenpresse zum Auspressen von Pflanzensäften ausgebildet ist. Diese Bauweise ist bei sehr wasserhaltiger Biomasse, wie Silage, dann zweckmäßig, wenn der Wassergehalt im Sinne des nachfolgenden Prozesses vermindert werden soll. Das Schneckenrohr 1 ist hier in einem bestimmten Bereich mit Löchern 1a oder Saierstäben ausgerüstet. Die Schneckenwelle 4 wird in Stufen oder kontinuierlich zum Ende dicker, so dass am Ende ein schmaler Spalt für die Dichtzone 2 entsteht. Damit ein abdichtender Pfropfen aus Biomasse entsteht, darf die Schneckenwendel 3 nicht in diese Dichtzone hineinragen. Oft erreichen die Abmessungen grobteiliger Biomasse, wie Holzhackschnitzel, die Dimension des Spaltes in der Dichtzone 2. Es besteht dann die Gefahr, dass Gas aus dem Druckbehälter durch die Lücken dieser Teilchen zurückströmt. Deshalb kann man für diesen Fall die Dichtzone 2 im Abschnitt 2b erweitern und im Abschnitt 2c wieder verengen. Durch das größere Kollektiv von Teilchen im Abschnitt 2b und die erneute Verengung im Abschnitt 2c, wird ein Rückströmen von Gas vermieden. Die Größe der Dichtzone in Abschnitt 2c erfolgt zweckmäßigerweise durch eine regelbare Gegendruckeinrichtung, bestehend aus einem konischen Rohrstück 16, Presszylindern 17 und Verstelleinrichtungen 18. Vorteilhaft ist die Anordnung von mindestens 3 synchronisierten Presszylindern 17 mit ihren Verstelleinrichtungen 18 auf dem Umfang. Am Ende der Dichtzone 2c ist eine Zerteileinrichtung angeordnet, die aus Messern besteht, die auf einer rotierenden Welle 19 sitzen. Durch die Zerteilung der Biomasse wird ein rechtwinkliger Abwurf der eingebrachten Biomasse 7 in den Druckbehälter 11 am Ende des Schneckenförderers 10 erleichtert.
Die Einbringung von Biomasse gegen den Druck in einem Druckbehälter ist für Vergasungsanlagen zur Erzeugung von Synthesegas oder Schwelgas von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung. Die Alternative wäre eine drucklose Vergasung der Biomasse mit nachfolgender Verdichtung des erzeugten Gases auf den gewünschten Ausgangsdruck. Das führt zu hohen Investitionen und hohen Verlusten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004019203 B3 [0005]
- DE 19843255 A1 [0006]
- DE 4431366 A1 [0006]
- EP 1586439 A1 [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Analyse und Evaluierung der thermo-chemischen Vergasung von Biomasse” Schriftenreihe „Nachwachsende Rohstoffe” Band 29, Landwirtschaftsverlag GmbH, Münster (2006). Relevant sind hier die Seiten 54–59 und Tabelle 2–7 auf Seite 72–73 [0003]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Einspeisung von Biomasse mit einem Schneckenförderer in einen Druckbehälter, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneckenförderer am Ende eine Abdichtzone aufweist, die frei von Förderorganen ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtzone eine Querschnittsverengung aufweist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung durch eine verstellbare Gegendruckeinrichtung herbeigeführt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung durch einen verstellbaren Dorn herbeigeführt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung durch ein verstellbares konisch verengtes Rohrstück herbeigeführt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneckenförderer als Schneckenpresse zum Entwässern von Biomasse ausgeführt ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt in der Abdichtzone vergrößert und durch die Gegendruckeinrichtung wieder verkleinert.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneckenförderer von innen und/oder von außen beheizbar ausgebildet ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneckenförderer als Doppelschnecke ausgebildet ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Abdichtzone eine Zerteileinrichtung für die Biomasse angeordnet ist,
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung von grobteiliger und feinteiliger Biomasse dem Schneckenförderer zuführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man Biomasse unterschiedlicher Härte miteinander mischt und diese dem Schneckenförderer zuführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse mit einer Flüssigkeit angemaischt, und diese dem Schneckenförderer zuführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse dem Schneckenförderer vorgewärmt zugeführt wird.