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Die Erfindung betrifft ein System zur Pyrolyse-freien Dörrung (engl. auch: torrefaction) von Biomassen zum Zwecke der Herstellung eines biogenen kohleähnlichen Brennstoffs.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Technologie zur thermischen Behandlung von Biomassen zum Zwecke der Herstellung heizwertreicher mahlbarer Fest-Brennstoffe in einem kontinuierlich ablaufenden Prozess.
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Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, nach der Resttrocknung des Einsatzgutes, wie zum Beispiel Biomasse, durch Wärmezufuhr eine beschleunigte Anreicherung des im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoffs (auch Karbonisierung) durch Senkung des typischerweise in der Biomasse enthaltenen hohen Anteils an Sauerstoff mittels thermischen Abtriebs von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und einer kleinen Menge Wasserstoffs zu erreichen. Auch wird Wasser aus den Spaltprodukten gebildet.
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Das Problem wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Hauptapparat des Systems ist ein Drehrohr mit einstellbarer Neigung in Richtung des Flusses des biogenen Brennstoffs und unabhängig davon einstellbarer Drehzahl. Im Inneren des Apparates sind ein Heizmedium führende Rohrleitungen angeordnet, deren Geometrie gemäß aufzubringender Heizfläche und der Optimierung der Kontakthäufigkeit zwischen Biomasse und Rohr ausgeführt ist.
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Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, dass eine Pyrolyse der Biomasse weitgehend vermieden wird, wenn der Grad der Durchdörrung auf ein Erreichen einer Biomasse-Kerntemperatur im Bereich von 250°C bis 350°C begrenzt wird.
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Es wird ein Prozess geschaffen, in dem, insbesondere vorgetrocknete, Biomassen kontinuierlich gedörrt werden und die damit verbundenen Eigenschaftsmodifikationen am Brennstoff (Karbonisierung und Herstellung der Mahlbarkeit) herbeigeführt werden. Dabei ist der Energieverlust im Feststoff infolge der Abspaltung oxidierbarer Komponenten (Kohlenstoff- und Wasserstoffverbindungen) erheblich verringert. Es wird sichergestellt, dass die Biomasse keine Pyrolyse durchläuft. Dazu ist das Temperatur-Regime in den Heizmedienleitungen entsprechend regelbar zu gestalten.
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Eine technologiebedingte Notwendigkeit für eine Beaufschlagung des Verfahrens mit einem drucktragenden Medium besteht nicht, so dass sich der im Hauptapparat vorherrschende Druck auf die Kompensation der Druckverluste der aus dem Apparat abzuführenden Gas- und Brüdenvolumina beschränkt.
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Über ein Zuführsystem wird dem Dörrungsraum stückige Biomasse zugeführt und wandert entsprechend eingestellter Neigung, Drehzahl und der Geometrie eingebauter Störkörper dem Austragssystem des Apparates zu. Dabei kommt es, zusätzlich zum überwiegend frei-konvektiven Wärmeübergang der im Dörrungsraum vorhandenen inerten Atmosphäre mit vorherrschenden Temperaturen von 250°C bis ca. 600°C auf die Biomasse, zu multiplem Kontakt der Biomasse mit der beheizten Anordnung aus Rohrleitungen und in der Folge zur Durchwärmung der stückigen Biomasse.
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Die Abfuhr der frei werdenden Gase und Dämpfe kann durch eine Sammelleitung erfolgen. Nach optionaler Auskondensierung der wässrigen Brüden wird das Gas mit seinen kalorisch verwertbaren Bestandteilen CO und H2 sowie gebildeten Teeren und Ölen einer Verbrennung zugeführt. Dies kann zum Zwecke der Unterstützung oder vollständigen Abdeckung des Wärmeenergiebedarfs der Dörrtrommel, aber auch zu einem anderen Zweck der Wärmenutzung geschehen.
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Der Drehrohrapparat ist mit mehreren individuell gestalteten und betreibbaren Heizflächen ausgestattet, die so im Drehrohr angeordnet sind, dass sich in axialer Richtung gemäß dem Biomassefluss entsprechend viele Zonen unterschiedlich einstellbarer Heizmedien-Vorlauftemperatur ergeben. Mit dieser Gestaltung lässt sich eine zu hohe Heizmedieneintrittstemperatur infolge einer sehr großen Temperaturspreizung entlang des drehrohrtypischen langen Strömungsweges im Apparat verhindern.
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Die Wärmebehandlung führt zu einer weitreichenden thermischen Versprödung der mechanisch stabilen Holzmatrix und stellt somit die Grundlage für eine anschließende Aufmahlbarkeit des Gutes dar.
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Je Heizfläche kann ein anderes Heizmedium Verwendung finden. Die einzelnen Heizmedienströme verlaufen parallel.
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Ferner bietet die vorgeschlagene Gestaltung des Drehrohr-Apparates die Möglichkeit, unterschiedliche Heizmedien zum Einsatz zu bringen.
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Die Erfindung bringt eine rasche Karbonisierung von vorgetrockneter Biomasse unter weitgehender Vermeidung einer Pyrolyse mit sich.
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Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang näher erläutert.
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Vorgetrocknete Biomasse in Form gehäckselten Holzes soll gedörrt werden. Es sei eine zu erreichende Durchwärmung des Holzes von 290°C angenommen. Das Holz liegt mit 10 Ma.-% Wassergehalt vor und wird mit einer Temperatur von 100°C aus der Vortrocknung übernommen. 1b bildet das Verfahren schematisch ab.
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Die Holzhackschnitzel (21) werden dem Prozess am Eingang des Drehrohres (10) zugeführt. Zur weitgehenden Verdampfung des Restwassers im Einsatzgut wird der ersten Heizfläche (11) Niederdruck-Sattdampf (31) zugeführt, welcher bei Austritt aus der Heizfläche als Kondensat (32) vorliegt. Die Wärmeübertragung in der Heizfläche 11 wird im Gegenstrom realisiert.
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Das Trockengut 22 wird der Heizfläche 12 zugeführt. Hier erfolgt dessen Aufwärmung auf die Holz-Zieltemperatur von 290°C. Die Heizfläche 12 wird mit Rauchgas (350°C bei Eintritt (33) und 320°C bei Austritt (34)) betrieben. Wegen der im Schüttgut vorhanden Partikelgrößenverteilung und der Inhomogenität des Gutes, welches sowohl unterschiedliche Holzarten als auch Rinden-, Stammholz- und Baumkronenfraktionen beinhaltet, ist eine unterschiedlich intensive Durchdörrung gegeben. Es kommt in kleinen sowie in besonders gut die Wärme leitenden Partikeln zu einer nicht beabsichtigt starken Annäherung an die Heizmitteltemperatur (350°C) und mithin zur Überschreitung der Zieltemperatur.
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Folge ist eine fraktional einsetzende Pyrolyse. Der überwiegende Teil des Schüttgutes ist, unter Berücksichtigung einer angemessenen Toleranz nach unten und oben, auf die Zieltemperatur von 290°C durchgedörrt. Das Rauchgas wird in diesem Beispiel im Gleichstrom zur Holzhackschnitzelschüttung geführt.
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Es wird in diesem Beispiel angenommen, dass die einsetzende Pyrolyse der Fraktion aus kleinen und durch gute Wärmeleitung gekennzeichneten Schüttgutanteile auf weitere Teile der Schüttung übergreift und somit dem Dörrholz ungewollt viel chemisch gebundene Energie entzogen wird. Weiterhin kommt es zu vermehrter Entbindung von kondensierbaren Kohlenwasserstoffen, deren Behandlung und Abtrennung von ebenfalls anfallendem Wasser eine höhere Verfahrenskomplexität erfordert.
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Die stückige Biomasse, alias Dörrholzschüttung 23 wird durch die Wärmeübertragerfläche 13 geleitet. Es wird eine Kühlung am Schüttgut vorgenommen, um die beginnende Pyrolyse abzubrechen. Im vorliegenden Beispiel hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Niederdruck-Dampfkondensat 32 als Eingangsmedium 35 der Heizfläche 13 zuzuführen, um Reaktionswärme aus dem in Pyrolyse befindlichen Dörrholz abzuführen. Das Kondensat wird im vorliegenden Beispiel im Gegenstrom zum Schüttgut geführt.
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Während des beschriebenen Beispielprozesses werden Gase (CO2, CO und sehr kleine Mengen H2) entbunden, die als Strom 24 aus dem Prozess abgeführt werden. Wasser aus der Resttrocknung des Einsatzgutes sowie Wasser aus thermischen Spaltvorgängen verlässt den Prozess als Strom 25. Das Dörrholz wird zu seiner weiteren Verwendung als Strom 26 aus dem Apparat abgeführt.
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Beschreibung der Figuren
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1a zeigt den schematischen Aufbau des Apparates mit 3 Wärmeübertragerflächen als Prozessschaltbild. Die Heizflächen 11, 12 und 13 arbeiten in Gegenstromprinzip.
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1b zeigt den schematischen Aufbau des Apparates mit 3 Wärmeübertragerflächen als Prozessschaltbild. Die Heizflächen 11 und 13 arbeiten in Gegenstromprinzip. Heizfläche 12 arbeitet im Gleichstrom zum Schüttgut 22. Der Rücklauf 32 des Heizmediums aus der Wärmeübertragerfläche 11 wird auf den Vorlauf 35 in die Wärmeübertragerfläche 13 geführt.
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2 stellt den grundlegenden möglichen Aufbau des Drehrohr-Apparates mit n Wärmeübertragerflächen dar. Diese sind so ausgeführt, dass eine mehrmalige Stromumkehr zur Überlagerung von Gleich- und Gegenstromprinzip führt.
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3 stellt den grundlegenden möglichen Aufbau des Drehrohr-Apparates mit 3 Wärmeübertragerflächen dar. Diese sind so ausgeführt, dass eine mehrmalige Stromumkehr zur Überlagerung von Gleich- und Gegenstromprinzip führt.
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Durch die Rotationsgeschwindigkeit und Einstellung des Gefälles der Dörrtrommel 10 ist die Durchlaufgeschwindigkeit der Biomasse einstellbar.
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Die Erfindung ist auch gegeben durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Dörrung von Biomassen, die mehrere voneinander unabhängig betriebene, seriell entlang des Strömungsweges der Biomasse angeordnete Wärmeübertragerflächen 1 bis n innerhalb eines Drehrohrapparates aufweisen.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden die Wärmeübertragerflächen mit dem gleichen Medium bei unterschiedlichen Parametern betrieben.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden die Wärmeübertragerflächen mit dem gleichen Medium bei gleichen Parametern betrieben werden.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden die Wärmeübertragerflächen mit unterschiedlichen Medien betrieben.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden eine oder mehrere Wärmeübertragerflächen zur Kühlung des Einsatzgutes verwendet.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung durchläuft ein Wärmeträgermedium mehrere Heizflächen der Gesamtanordnung seriell.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung arbeiten alle Wärmeübertragerflächen der Gesamtanordnung nach dem Gleichstromprinzip.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung arbeiten alle Wärmeübertragerflächen der Gesamtanordnung nach dem Gegenstromprinzip.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung arbeiten einzelne Wärmeübertragerflächen der Gesamtanordnung nach dem Gleichstromprinzip und andere nach dem Gegenstromprinzip.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung arbeiten einzelne Wärmeübertragerflächen der Gesamtanordnung nach dem Prinzip der Überlagerung von Gleich- und Gegenstrom.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden dampfförmige Medien als Heizmedium verwendet.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden gasförmige Medien als Heizmedium verwendet.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden flüssige Medien (auch Thermoöl) als Heizmedium verwendet.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden dampfförmige Medien als Kühlmedium verwendet werden.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden gasförmige Medien als Kühlmedium verwendet werden.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden flüssige Medien als Kühlmedium verwendet.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind die einzelnen Sektionen der Wärmeübertragerfächen durch Zwischenwände voneinander getrennt. Die Schüttgutübergabe von einer Kammer zur nächsten findet dann mittels einer, relativ zum Drehrohrapparat feststehenden, Austragsschnecke statt, die das Gut durch eine Öffnung im Zentrum der Zwischenwand fördert.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird in der Schüttung ein Thermoelement zur Prozesskontrolle platziert.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden die Vorlaufmenge und -temperatur entsprechend den durch ein Thermoelement gewonnenen Werten geregelt.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind innerhalb der Wärmeübertragerflächen Störeinbauten zur Steigerung der Turbulenz eingebaut.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird das Schüttgut im Apparat mit einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff, Kohlendioxid und/oder Rauchgas, beschleiert.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weisen die einzelnen Heizflächen unterschiedliche Wärme-übertragende Oberflächen auf.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weisen die einzelnen Heizflächen gleiche Wärme-übertragende Oberflächen auf.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weisen die einzelnen Heizflächen gleich gestaltete Oberflächen auf.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weisen die einzelnen Heizflächen unterschiedlich gestaltete Oberflächen auf.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drehrohrapparat (Gesamtanordnung)
- 11
- Wärmeübertragerfläche 1
- 12
- Wärmeübertragerfläche 2
- 13
- Wärmeübertragerfläche 3
- 14
- den Apparat begrenzende äußere Hülle/Wandung (Darstellung ohne Wärmedämmung)
- 15
- Laufringe
- 1n
- Wärmeübertragerfläche n
- 21
- Biomasse bei Eintritt, Holzhackschnitzel
- 22
- Biomasse nach Wärmeübertragerfläche 1, vor Wärmeübertragerfläche 2
- 23
- Biomasse nach Wärmeübertragerfläche 2, vor Wärmeübertragerfläche 3
- 24
- bei Durchlaufen des Prozesses aus der Biomasse entbundene Gase
- 25
- Wässer aus Resttrocknung und thermischer Spaltung
- 26
- Dörrgut am Austrag
- 31
- Vorlauf Heizmedium in Wärmeübertragerstrecke 1
- 32
- Rücklauf Heizmedium aus Wärmeübertragerstrecke 1
- 33
- Vorlauf Heizmedium in Wärmeübertragerstrecke 2
- 34
- Rücklauf Heizmedium aus Wärmeübertragerstrecke 2
- 35
- Vorlauf Heizmedium in Wärmeübertragerstrecke 3
- 36
- Rücklauf Heizmedium aus Wärmeübertragerstrecke 3