DE102008064803B3

DE102008064803B3 - Verfahren und Verwendung einer Vorrichtung zur Herstellung von Brennstoff aus feuchter Biomasse

Info

Publication number: DE102008064803B3
Application number: DE102008064803.5A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: UA101661C2

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Brennstoff aus in Form gepresster Biomasse, bei dem die feuchte Biomasse vor dem Formpressvorgang einem Trocknungsvorgang, vor dem Trocknungsvorgang einem mechanischen Entwässerungsvorgang zur Reduktion des Feuchtegehalts und vor dem mechanischen Entwässerungsvorgang einem Zerkleinerungsvorgang unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse im Zerkleinerungsvorgang unter Aufschließung der Zellstrukturen zu einem Mus, Püree oder homogenen Brei breiiger bis flüssiger Konsistenz zur Abfuhr von Wasser und zur Erleichterung der mechanischen Entwässerung feinstzerkleinert wird.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Verfahren und die Verwendung von Vorrichtungen zur Herstellung von in Form gepresstem Brennstoff aus feuchter Biomasse aller Art, wie land-, forst- und gartenwirtschaftlichen Produkten einschließlich Abfällen, beispielsweise auch Grasschnitt, Gärtnerei- oder Küchenabfällen, Abfällen aus der industriellen Verarbeitung von Biomasse wie beispielsweise der Lebensmittelverarbeitung, der Papierherstellung oder ähnlichem.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen zu ihrer Durchführung sind – beispielsweise aus WO 2004/067685 A1 – bekannt.
Diese Verfahren umfassen beispielsweise vor dem abschließenden Formpressvorgang zur Herstellung des in Form gepressten Brennstoffs einen Trocknungsvorgang, vor dem Trocknungsvorgang einen Pressvorgang zum mechanischen Entwässern zur Reduktion des Feuchtegehalts und vor dem Pressvorgang einen ersten Zerkleinerungsvorgang, durch den die Effizienz des anschließenden Pressens, d. h. die dadurch mögliche Verringerung des Wassergehalts der feuchten Biomasse erhöht wird.
Die Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren sind gemäß diesen Verfahrenserfordernissen aufgebaut.
Des Weiteren ist aus DE 93 18 325 U1 ein stückiger Brennstoff aus sogenanntem C4-Schilfgras bekannt. Das auf Handtellergröße zerkleinerte Schilfgras wird in einer Doppelschneckenpresse verpresst, wobei das zellulosehaltige Material zerrieben wird, wodurch ein Zellaufschluß erfolgt. Dabei werden im Schilfmaterial enthaltene Bindemittel freigesetzt, welche den Zusammenhalt des Schilfs in zu Briketts oder Pellets verpresstem Zustand bewirken sollen. Zur Erhöhung des Heizwertes wird für diesen bekannten stückigen Brennstoff vorgeschlagen, das Schilfgras zusammen mit Kunststoffen zu verpressen.
Gegenüber der herkömmlichen als Brennstoff eingesetzten trockenen oder weitgehend trockener Biomasse wie etwa Holz oder auch gegenüber etwa auf dem Feld vorgetrockneter Biomasse wie etwa Heu hat feuchte Biomasse in ihrer Verarbeitung zu Brennstoff verschiedene Vorteile. Zum einen fällt feuchte Biomasse überall in großer Menge an, oft ohne dass eine andere Nutzung in Betracht käme, so dass sie entsorgt, zum Beispiel kompostiert werden müsste, wenn sie nicht zu Brennstoff verarbeitet werden oder gar vor Ort ohne energetische Nutzung verrotten würde.
Gegenüber vorgetrockneter hat die feucht verarbeitete Biomasse den Vorteil, dass Masseverluste, wie sie – etwa durch Ausfall der Saat – bei der Feldtrocknung entstehen, vermieden werden.
Vor allem aber verbleiben die schädlichen Stoffe, die in der Biomasse enthalten sind und die – wie beispielsweise Chlor – die Korrosion der Brennanlagen beschleunigen oder die das Ascheverhalten des Brennmaterials negativ beeinflussen, bei der natürlichen Trocknung durch Verdunstung in der Biomasse und mindern deren Wert als Brennstoff. Vor allem dieser Nachteil lässt sich zu einem erheblichen Teil vermeiden, wenn die feuchte Biomasse nach den bekannten Verfahren vor dem thermischen Trocknen ausgepresst wird, so dass das darin enthaltene Wasser mit einem erheblichen Teil der Schadstoffe daraus entfernt wird.
Die genannten Verfahren haben bei aller Vorteilhaftigkeit freilich auch ihre Nachteile. Vor allem sind sie recht energieaufwändig, belasten also die Energiebilanz des herzustellenden Brennstoffes negativ. Dies hat seinen Grund vor allem darin, dass das Auspressen frischer Biomasse, etwa von häufig recht harten Gräsern, erhebliche Kräfte erfordert und gleichwohl nur einen ungenügenden Feuchteentzug bewirkt, so dass die Entfernung noch sehr erheblicher Feuchtegehalte des bereits ausgepressten Materials der besonders energieaufwändigen thermischen Trocknung überlassen bleibt. Dies bedeutet zugleich, dass die verbrennungstechnisch schädlichen Inhaltsstoffe der Biomasse nur in eingeschränktem Masse entfernt werden, weil diese Stoffe großteils wasserlöslich sind und die thermische Trocknung sie daher nicht vermindert.
Hinzukommt, dass die für das Auspressen der Biomasse erforderlichen erheblichen Kräfte einen massiven Maschinenverschleiß mit sich bringen, dies umso mehr, als die Biomasse vielfach mit Abrieb erhöhenden Materialien wie Sand, anorganischen Abfällen und Ähnlichem verunreinigt ist, vor allem beispielsweise wenn es sich um Grasschnitt von landwirtschaftlichen oder von öffentlichen Verkehrsflächen handelt.
Hieraus folgt die Aufgabe, die bekannten Verfahren zur Herstellung von Brennstoffen aus in Form gepresster Biomasse aus feuchtem Ausgangsmaterial so zu optimieren, dass bei geringerem Energieaufwand, vor allem für das thermische Trockenen, und bei geringst möglicher Belastung der Produktionsanlagen ein besserer Brennwert und verbesserte Brennstoffeigenschaften des hergestellten Brennstoffs erreicht werden.
Diese Aufgabe lösen das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Ansprüchen 9 bis 12.
Die Lösung besteht darin, dass die Biomasse vor dem mechanischen Entwässern durch Mahlen, Passieren, Pürieren, Musen oder Ähnliches einer Feinstzerkleinerung unterworfen wird, derart, dass ein Mus/Püree/homogener Brei entsteht, dessen Konsistenz vorzugsweise breiig bis flüssig ist.
Dieser Zustand hat zunächst den Vorteil, dass die Biomasse besser weiterverarbeitbar, etwa (mit oder ohne Zugabe weiterer Flüssigkeit) pumpfähig ist und in dem Aufbereitungsverfahren leichter den weiteren Verarbeitungsschritten zugeführt werden kann.
Dies geht einher mit einer Veränderung oder weitgehenden Zerstörung der Zellstrukturen und damit dem Austritt von Zellflüssigkeit und deren Abscheidung (Absetzen) sogar vor jeder weiteren mechanischen Entwässerung.
Vor allem aber erleichtern die aufgebrochenen Zellstrukturen das anschließende mechanische Entwässern ganz erheblich. Sie erleichtern nicht nur das Auspressen bei verringertem maschinellem Kraftaufwand ganz beträchtlich und ermöglichen so eine sehr viel stärkere mechanische Feuchtereduktion. Sie ermöglichen sogar den Einsatz alternativer, bei lediglich gröber zerkleinerter Biomasse ansonsten nicht wirklich wirksamer mechanischer Entwässerungsverfahren wie zum Beispiel den Einsatz von Filterpressen, Bandpressen oder Zentrifugen.
Wird eine Schnecken- oder Filterpresse oder eine Zentrifuge zum Entwässern eingesetzt, so reduziert sich die Restfeuchte, die beispielsweise bei Gras bei der mechanischen Entwässerung nach den bekannten Verfahren bei 64–70% liegt, bei feinstzerkleinerter Masse auf 30–55% oder sogar auf 30–45%.
Hinzukommt, dass die Feinstzerkleinerung infolge des Aufbruchs der Zellstrukturen und der entsprechenden Vergrößerung der Oberfläche der Biomasseteilchen ein sehr viel wirksames anschließendes Trocknen der Biomasse ermöglicht.
Durch die Feinstzerkleinerung wird insgesamt mehr Wasser aus der Biomasse mechanisch entfernt. Dadurch verringern sich die brenntechnisch bedenklichen Inhaltsstoffe der Biomasse, die bei geringerer mechanischer Entwässerung und dementsprechend stärkerer thermischer Trocknung vermehrt darin verbleiben würden, beträchtlich. Dies hat eine verringerte Korrosion der Heizkessel, eine Steigerung des Heizwertes, Verringerung des Aschegehaltes und eine Erhöhung des Ascheschmelzpunktes, insgesamt also eine Schonung der mit dem gewonnenen Brennmaterial beschickten Heizanlagen zur Folge. Durch diese Verringerung der brenntechnisch schwierigen (brisanten) Inhaltstoffe können verschiedene Heizkessel mit der aufbereiteten Biomasse beschickt werden, die im herkömmlichen Sinn nicht für halmgutähnliche Biomasse ausgelegt waren.
Vor allem verbessert sich so aber die Energie- und Kostenbilanz des Herstellungsverfahrens beträchtlich, weil infolge der hohen mechanischen Entwässerung der Energieaufwand für die – an sich sehr energieaufwändige – thermische Trocknung deutlich zurückgeht.
Vorzugsweise wird zur Unterstützung insbesondere des Vorentwässerungsvorganges, d. h. vor dem eigentlichen mechanischen Entwässern, ein den Entwässerungsvorgang unterstützendes chemisches Entwässerungsmittel eingesetzt, d. h. der Biomasse zugesetzt.
In einer alternativen Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Brennstoff aus in Form gepresster Biomasse mit feuchter Biomasse als Ausgangsmaterial dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor dem Zerkleinerungsvorgang einem Waschvorgang unterworfen wird.
Zunächst verringert sich auch durch die mit dem Waschen verbundene Auswaschung der Biomasse – ähnlich wie durch das mechanische Entwässern – der Gehalt an verbrennungstechnisch nachteiligen Inhaltsstoffen. Das Waschen verbessert also das Verbrennungsverhalten und das Ascheverhalten, insbesondere die Korrosionsanfälligkeit und den Ascheschmelzpunkt und hilft so, schädliche Einflüsse von der Verbrennungsanlage fernzuhalten.
Dies gilt vor allem auch, weil beim Waschen zugleich grobe Verunreinigungen wie Steine, Sand, Metalle, aber auch Umweltlasten, etwa Auspuffruß und Reifenabrieb bei Strassengrasschnitt, aus der Biomasse entfernt werden, wodurch zugleich die Zerkleinerungs- und die Pressvorrichtungen geschont werden, weil der erhöhte Verschleiß, den solche Inhalte der Biomasse mit sich bringen, entfällt. Dies verbessert in jedem Falle die Kostenbilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens, bringt aber auch eine Vergleichmäßigung der Biomasse mit sich, die sich wiederum verbrennungstechnisch günstig auswirkt, also eine Erhöhung der Qualität des Produkts bedeutet. Auch diese Maßnahme ist also von ökonomischem Vorteil. Zugleich ergeben sich dabei ökologische Vorteile, weil die Verbrennung schädlicher Substanzen vermieden wird.
Schließlich ermöglicht das Waschen eine besonders effiziente Steuerung der Verarbeitungstemperatur, etwa derart, dass das Waschwasser so temperiert werden kann, dass dadurch die Zellstrukturen aufgebrochen werden (Blanchieren/Pochieren), wodurch wiederum die Weiterverarbeitung, insbesondere die Abscheidung des Wassers innerhalb der Biomasse (in der Biomasse gebundenes Wasser) erleichtert wird.
In einer weiteren Ausbildung des erfinderischen Verfahrens können die Verfahrensschritte des Waschens und des Zerkleinerns in der Form der Feinstzerkleinerung miteinander kombiniert werden. Ihre positiven Auswirkungen auf den Verfahrensablauf und auf das Produkt potenzieren sich dann. Das Waschen sollte dann allerdings vor der Feinstzerkleinerung stattfinden.
Vor dem mechanischen Entwässern kann die Biomasse vorentwässert werden. Dies empfiehlt sich insbesondere, wenn sie gewaschen wird, weil so das Waschwasser auf einfache Weise wieder abgeführt und die mechanische Entwässerungsvorrichtung kapazitätsmäßig entlastet wird. Die Vorentwässerung, die beispielsweise mit einer Filter- oder einer Bandpresse, einer Zentrifuge erfolgen kann, bekommt ihren besonderen Sinn aber auch durch die vorgeschlagenen Verfahrensschritte zur Aufschließung der Zellstrukturen wie insbesondere das Feinstzerkleinern. Sie ermöglichen die Abfuhr eines erheblichen Anteils des Wassers ohne hohen Kraftaufwand und entlasten so den eigentlichen mechanischen Entwässerungsvorgang. Dies führt im Ergebnis zur Einsparung von Verschleiß und Energie und damit zu einer Verbesserung der Energie- und Kostenbilanz.
Dabei kann hilfreich sein, die Biomasse vor der Feinstzerkleinerung oder dem mechanischen Entwässerungsvorgang zu erhitzten (Pochieren, Blanchieren).
Das Erhitzen kann vor oder nach dem Zerkleinern, etwa bereits beim Waschen durch aufgeheiztes Waschwasser erfolgen. Hier sind Temperaturen bis 100° Grad bevorzugt. Alternativ kann das Erhitzen auch während der Zerkleinerung und/oder vor oder während der Vorentwässerung erfolgen.
Auch das Erhitzen führt nämlich zu einem besseren Aufschluss der Zellstrukturen der Biomasse und damit zu einem erleichterten Austritt des Wassers, das so etwa schon im Rahmen der Vorentwässerung weitgehend ohne Pressen oder durch nachfolgendes Pressen, etwa im Rahmen der mechanischen Entwässerung, jedenfalls mit geringerem Kraft- und Energieaufwand abgeschieden werden kann.
Durch das Erhitzen verringert sich zugleich der Energieaufwand für das thermische Trocknen, das an sich besonders energieaufwändig ist. Damit verbessert sich die Energiebilanz noch mehr.
So kann, abhängig von der Entwässerungstechnik, der biogene Anteil im Presswasser variiert werden. Das Erhitzen kann durch den verbesserten Zellaufschluss zu einer Erhöhung des biogenen Anteils im Presswasser führen und damit dessen Wert erhöhen. Dieser Effekt wird durch die Feinstzerkleinerung verstärkt, die ihrerseits zu einem erhöhten Austritt der biogenen Anteile in das Presswasser führen kann.
Dies gilt sowohl für den Fall, dass das Presswasser als Düngemittel ausgebracht bzw. dazu weiterverarbeitet wird, als auch für den Fall, dass es für die Gaserzeugung genutzt wird. Sowohl der Düngewert als auch die Gasausbeute steigen durch die Erhöhung des biogenen Anteils in dem Presswasser.
Der Wert des beim mechanischen Entwässern abgeschiedenen Wassers für die vorerwähnten Zwecke (als Düngemittel bzw. als Ausgangsstoff zu deren Herstellung oder zum Vergären zur Gasgewinnung) kann weiter dadurch erhöht werden, dass es als Waschwasser verwendet, also mehrfach mit biogenem Material angereichert wird.
Da die Biomasse nach dem Zerkleinern, dem Vorentwässern und dem mechanischen Entwässern zur Feuchtereduktion im Zweifel so kompaktiert ist, dass sie in diesem Zustand schwer weiter zu trocknen wäre, wird es sich meist empfehlen, sie vor dem thermischen Trocknen einem dem mechanischen Entwässerungsvorgang nachgelagerten zweiten Zerkleinerungsvorgang (Auflockerungsvorgang) zu unterwerfen, durch den die durch das mechanische Entwässern kompaktierte Masse wieder aufgelockert, unter Umständen aber auch weiter zerkleinert werden kann.
Gegenstand der Erfindung sind weiter die Vorrichtungen bzw. apparativen Aufbauten zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren.
Im Einzelnen geht es dabei um

1. Eine Vorrichtung zur Herstellung von Brennstoff aus in Form gepresster Biomasse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bestehend aus einer Einrichtung zum Formpressen der Biomasse, dieser vorgeschaltet eine Einrichtung zum Trocknen der Biomasse, dieser vorgeschaltet eine Einrichtung zum mechanischen Entwässern der Biomasse zur Verminderung ihres Feuchtegehalts und dieser vorgeschaltet eine erste Einrichtung zur Zerkleinerung der Biomasse, die eine Feinstzerkleinerung bewirkt.
2. Eine Vorrichtung wie zuvor unter 1. beschrieben, bei der der ersten Einrichtung zum Zerkleinern der Biomasse eine Einrichtung zum Waschen der Biomasse vorgeschaltet ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
3. Eine Vorrichtung wie zuvor unter 1. und 2. beschrieben, bei der der Einrichtung zum mechanischen Entwässern eine Einrichtung zum Vorentwässern der Biomasse vorgeschaltet ist.
4. Eine Vorrichtung wie zuvor unter 1. bis 4. beschrieben, die eine der Trocknungseinrichtung vorgeschaltete, der Einrichtung zum mechanischen Entwässern nachgeschaltete zweite Einrichtung zum Zerkleinern (Auflockern) der Biomasse umfasst.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Brennstoff aus in Form gepresster Biomasse, bei dem die feuchte Biomasse vor dem Formpressvorgang einem Trocknungsvorgang, vor dem Trocknungsvorgang einem mechanischen Entwässerungsvorgang zur Reduktion des Feuchtegehalts und vor dem mechanischen Entwässerungsvorgang einem Zerkleinerungsvorgang unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse im Zerkleinerungsvorgang unter Aufschließung der Zellstrukturen zu einem Mus, Püree oder homogenen Brei breiiger bis flüssiger Konsistenz zur Abfuhr von Wasser und zur Erleichterung der mechanischen Entwässerung feinstzerkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor der Feinstzerkleinerung gewaschen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor dem Waschen einer ersten Zerkleinerung unterworfen wird, welche keine Feinstzerkleinerung ist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor dem mechanischen Entwässerungsvorgang vorentwässert wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor dem mechanischen Entwässerungsvorgang erhitzt wird.
Verfahrens nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das beim mechanischen Entwässerungsvorgang gewonnene Wasser als Waschwasser verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse einem dem mechanischen Entwässerungsvorgang nachgelagerten weiteren Zerkleinerungsvorgang zu ihrer Auflockerung unterworfen wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor dem mechanischen Entwässerungsvorgang zur Gasgewinnung vergoren wird und das bei dem mechanischen Entwässerungsvorgang anfallende Wasser der Verwendung oder der Weiterverarbeitung zu landwirtschaftlichen Düngemitteln zugeführt wird.
Vorrichtung zur Herstellung von Brennstoff aus in Form gepresster Biomasse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus einer Einrichtung zum Formpressen der Biomasse, dieser vorgeschaltet eine Einrichtung zum Trocknen der Biomasse, dieser vorgeschaltet eine Einrichtung zum mechanischen Entwässern der Biomasse zur Verminderung ihres Feuchtegehalts und dieser vorgeschaltet eine erste Einrichtung zur Zerkleinerung der Biomasse, die eine Feinstzerkleinerung unter Aufschließung von deren Zellstrukturen zu einem Mus, Püree oder homogenen Brei breiiger bis flüssiger Konsistenz zur Abfuhr von Wasser und Erleichterung der mechanischen Entwässerung bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei der der ersten Einrichtung zum Feinstzerkleinern der Biomasse eine Einrichtung zum Waschen der Biomasse vorgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung zum Waschen eine Zerkleinerungseinrichtung vorgeschaltet ist, welche keine Feinstzerkleinerung bewirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine der Einrichtung zum mechanischen Entwässern vorgeschaltete Einrichtung zum Vorentwässern der Biomasse aufweist.