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Verfahren und Vorrichtung zum Bertinisieren von Biomassen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bertinisieren von Biomassen
im Schacht ofen sowie einen Schachtofen zur Durch führung des Verfahrens. Damit
sollen Biomassen und Produkte aus ihnen, wie z.B. Stroh, Bagasse,Elefantengras,Bananenstauden,
Holz, Papier, Pappen etc., ggflls. nach einer Vortrocknung, beispielsweise durch
Mahlen und evtl. durch anschließendes Verpressen, je nach Verwendungszweck, zu einem
hochwertigen Brennstoff reduziert werden.
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Allgemein bekannt ist, daß die genannten Stoffe einen hohen, gebundenen
Sauerstoffgehalt bis zu 45 Vo aufweisen. Wenn sie lufttrocken sind, enthalten sie
noch eine Feuchte von bis zu 18 Vo. Die genannten Ballaststoffe setzen den Heizwert
drastisch herab, so daß dieser im Mittel lediglich ca. 2 800 bis 3 500 Kcal/kg beträgt.
Außerdem sind die genannten Biomassen sehr voluminös. Ein weiterer Nachteil sind
die vielfältigen Formen, in welchen diese Stoffe vorkommen, wodurch eine sinnvolle
Verwendung als Brennstoff in den meisten Fällen verhindert wird.
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Es ist bekannt, daß beim Erhitzen dieser Biomassen bis 17000 unter
Luftabschluß hauptsächlich Feuchte und Zersetzungswasser mit geringen I4engen C02
ausgetrieben werden.
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Bei einer weiteren Erhitzung auf bis zu 27000 werden weitere Mengen
Reaktionswässer, große Mengen CO2, sowie Spuren von CHDOH, OH, CH3CO OH und CO ausgetrieben.
Diese Reaktionsstufen: Dehydratation, Depolymerisierung sind endotherm. Wird die
eperatur weiter erhöht, beispielsweise auf 2800 und mehr, so wird der 'Temperaturbereich
der sog. Neilerreaktion erreicht. Dieser Übergang zur exothermen Meilerreaktion
ab ca. 2800C ist fließend und nicht bei allen Stoffen gleich. Er muß vom Fachmann
durch Versuche mit seinem Medium ermittelt werden.
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Die endotherme Erhitzung bis auf Temperaturen unter 28000, bei der
noch keine exotherme Neilerreaktion stattfindet, nennt man ßertinisierung. Sie wird
für fossile, minderwertige Brennstoffe (Gumz, Kurzes Handbuch der Brennstoff-und
Feuerungstechnik, Springer Verlag 1962, S. 238) und nach der DE-OS 2.802.212 als
Zwischenstufe zur Erzeugung eines Kokses aus Holz für die metallurgische Nutzung
verwendet.
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Bei der Bertinisierung wird die Biomasse vorzerkleinert, auf mindestens
1700C, aber höchstens bis zum Anspringen der exothermen Meilerreaktion, was bei
höchstens 28000 der Fall ist, unter Luftabschluß erhitzt. Der gesamte Wassergehalt
sowie C02 werden fast völlig ausgetrieben. Bufttrockene Biomasse verliert dabei
bis zur Hälfte ihres Gewichtes, aber der Heizwert steigt dafür bis auf ca. 7 000
Kcal/kg an, Das Bertinisieren von Holz gemäß der DE-OS 28 02 212 läßt sich mit großstückigem
Holz ohne Schwierigkeiten durchführen.
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Verwendet man jedoch kleinstückige Holzabfälle oder Hobel-bzw. Sägespäne,
so kommt die Bertinisierungsreaktion sehr
schnell zum Stillstand,
da die Heizgase das zu bertinisierende Gut nicht mehr durchdringen können. Diese
Schwierigkeit taucht auch bei anderen Biomassen auf, beispielsweise bei Stroh, gasse,
Elefantengras, Bananenstauden sowie bei Sekundärprodukten, die aus solchen Biomassen
hergestellt werden, beispielsweise Papier, Pappen usw.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem die im allgemeinen feinteiligen Biomassen
ohne Schwierigkeit bertinisiert werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem die inerten
Heizgase im Quersbrom durch das zu bertinisierende Gut hindurchgeführt werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.
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Die Vorrichtung besteht aus einem ringförmigen Behandlungsraum mit
einem Innenrohr, welches über die gesamte Höhe des Ofens reicht und oben und unten
verschlossen ist, welches mit düsenartigen Öffnungen versehen ist, die sich zum
Behandlungsraum hin öffnen, sowie mit einer den Behandlungsraum umgebenden ringförmigen
Außenkammer, wobei zwischen dem Behandlungsraum und der Außenkammer verdeckte Öffnungen
vorgesehen sind, die gegenüber den Öffnungen im Innenrohr versetzt sind.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Bertinisierungsverfahrens
wird das material stark versprödet, so daß es durch Mahlung auf eine staubförmige
Form reduziert wird.
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Das so gewonnene material kann in einer bekannten Staubfeuerung
als
Brennstoff verwendet werden.
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An manchen Standorten sind staubförmige Brennstoffe nicht gefragt.
Statt dessen besteht ein Bedarf an Festkörper Brennstoffen, beispielsweise in manchen
intwicklungsländern.
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In diesem Fall wird das bertinisierte Illaterial nur grob gemahlen
bzw. zerkleinert und mit oder ohne Bindemittel nach an sich bekannten Verfahren
zu Brikett oder anderen Festkörpern verarbeitet und steht so als Festbrennstoff
und Holzersatz zur Verfügung.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß diese Brennstoffe betont Iijweltfreundlich
sind, da sie Schadstoffe nur in Spuren beinhalten.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem
vertikalen, zylindrischen Schachtofen, bei dem das zu bertinisierende Gut über eine
Schleuse im Oberteil des Ofens dem Ofen zugeführt und unten abgezogen wird. Der
Behandlungsraum des Schachtofens hat einen ringförmigen Querschnitt; innerhalb des
ringförmigen Behandlungsraumes ist im Zentrum ein senkrechtes Mittelrohr angeordnet,
dessen Innenraum durch düsenartige Öffnungen mit dem Behandlungsraum in Verbindung
steht. Es ist ferner außen, den Behandlungsraum ringförmig umgebend, eine ringförmige
Außenkammer vorgesehen, welche innen durch verdeckte Öffnungen, welche das Entweichen
von Material verhindern, mit dem Behandlungsraum verbunden sind. Das Mittelrohr
sowie die äußere ringförmige Kalnrser können waagerecht durch mindestens eine trennwand
unterteilt sein, so daß oben und unten
Reaktionsräume für mindestens
zwei Verfahrensabläufe gegeben sind, so daß im oberen Abschnitt vorgewärmt und gegetrocknet
und im unteren Abschnitt bertinisiert werden kann. Um die Strömungsverhältnisse
im Behandlungsraum zu verbessern, kann aus dem Querschnitt des Ofens nach Art eines
'lortenstücks ein Kzeissektor vertikal abgetrennt sein, in welchem die Zuführungsleitungen
zum Mittelrohr verlaufen.
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Die heißen, inerten Gase werden dem iittelrohr unter Druck zugeführt,
was durch Einführung der Gase am unteren Ende oder durch Einführen über mehrere
über die gesamte Länge des ittelrohrs verteilte Einführungsrohre geschehen kann.
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Die Verwendung mehrerer ninführungsrohre vermeidet einen größeren
Druckabfall entlang des Mittelrohrs. Die Gase gelangen über düsenartige Öffnungen
in den Behandlungsraum, wo sie das Behandlungsgut im Querstrom durchströmen. Sie
werden über die verdeckten Öffnungen in die Außenkammer abgezogen.
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Wenn die Kammern in untere und obere Hälften geteilt sind, wird das
inerte Heizgas aus der unteren äußeren Ringkammer durch einen Verdichter abgezogen
und wiederum dem oberen Mittelrohrteil über eine Rohrverbindung zur weiteren Nutzung
der noch vorhandenen fühlbaren Wärme zugeführt. Die düsenartigen Öffnungen im Mittelrohr
sollten vorzugsweise gegenüber den verdeckten Abzugsöffnungen in der äußeren Ringkammer
versetzt angebracht sein. Die Teilung muß nicht die mitte sein, da die meiste Wärmeenergie
zum Vorwärmen und Trocknen benötigt wird. Auch können in der Vortrocknungsstufe
noch heiße Neugase zugemischt werden. Beim Arbeiten in geteilten Kammern ist es
zweckmäßig, die untere kammer mit einer Außenisolierung zu versehen, um ein zu starkes
Abkühlen der durch die untere Kammer hindurchtretenden Heizgase zu vermeiden.
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Das Gut wandert also von oben nach unten, wobei es von heißen, inerten
Gasen, auch Rauchgasen quer durchströmt wird und wird unten zur mühle oder Zerkleinerungsanlage
abgezogen. Um nun ein gerades Durchrutschen des IvIaterials zu vermeiden, werden
zweckmäßig zwischen der inneren und äußeren Wand des Behandlungsraumes in Abständen
Querstreben eingebaut, welche mit einem sich drehenden Rohr ummantelt sein können.
Auf diesem Rohr können auch Nocken angebracht sein. Diese Querstreben unterstützen
das Auflockern und Wenden des materials. Bei leichten, voluminösen i3ioiassen, z.B.
Stroh, ist es vorteilhaft, daß schwerere lvlaterialien, wie Papier etc., zugemischt
werden, um eine vorherige Kompaktierung des Strohs zu vermeiden und eine gute Ofenfüllung
zu erreichen.
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Sollten genug oder im Überfluß heiße, inerte Gase (Abgase) vorhanden
sein, kann man die waagerechte Kammereinteilung einsparen und die Inertgase über
einen Verdichter,in das Jlittelrohr über eine oder mehrere Zuleitungen die Heizgase
eindrücken. Am oberen Ende des äußeren Ringraumes werden die entstehenden Abgase
frei in die Atmosphäre entlassen.
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Da die Außenwand der äußeren Ringkammer normal temperiert ist, kann
es hier zum Kondensieren von Wasser kommen. Die äußere Ringkammer muß also mit einem
Wasserabfluß versehen sein und sollte tunlichst aus einem korrosionsfesten Naterial
hergestellt werden.
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Die Zeichnungen veranschaulichen die erfindungsgemäße Vorrichtung,
die aus einem modifizierten Schachtofen besteht, wobei gleiche Teile jeweils mit
den gleichen Bezugszeichen oezeicllnet sind. Es stellen dar:
Fig.
1 eine perspektivische Ansicht des gesamten Ofens mit teilweise weggelassenen Wänden
Fig. 2 einen perspektivischen ScEmitt des Ofens, Fig. 3 einen Ausschnitt aus Figur
2, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Behandlungsraums des Ofens mit "Tortenstückt'-Abschnitt.
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Fig. 5 einen Schnitt der verdeckten Öffnungen in der Außenwand des
Behandlungsraumes, Fig. 6 einen Horizontalschnitt durch den erfindungsgemäßen modifizierten
Schachtofen Durch ein nicht dargestelltes Schleusensystem, z.Bsp. eine Zellenradschleuse,
wird das zu bertinisierende Material oben dem modifizierten, aus Stahlblech bestehenden
Schachtofen 1 in den ringförmigen Behandlungsraum 2 aufgegeben.
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Im Zentrum des vertikalen Schachtofens 1 ist ein Innenrohr 3 angebracht,
welches über die gesamte liöhe des Ofens reicht und oben und unten verschlossen
ist. Sach Art eines "ortenstücks" ist ein keilförmiges Stück 4 aus dem Ofen abgetrennt,
durch welche die Gaszuleitungsrohre 5 und 18 zum Innenrohr 3 verlaufen. Durch diese
Abtrennung ist im Rest des Behandlungsraumes 2 eine gleichmäßige Wanderung des materials
von oben nach unten gewährleistet. Durch einen Verdichter 6 werden die inerten,
heißen Gase über die Zuleitung 5 unten in das Innenrohr 3 gedrückt, wo sie einen
leichten Überdruck aufbauen sollten. Durch düsenartige Öffnungen 7 verlassen die
Gase das Innenrohr 3, durchströmen das lAaterial im Behandlungsraum 2 quer 8 und
werden über verdeckte Öffnungen 9, die versetzt gegenüber den düsenartigen Öffnungen
7 in der Außenwand 10 des Behandlungsraumes 2 angebracht sind, in die ringförmige
Außenkammer 11 abgezogen. Die ringförmige Außenkammer 11 umgibt also den Behandlungsraum
2.
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Die Außenwand 12 der Außenkammer 11 ist gleichzeitig die Außenwand
des Ofens. Um Energie zu sparen, werden das gasführende Innenrohr 3, sowie die abgasführende
Außenkammer 11 durch waagerechte Böden 13 in mindestens zwei Hälften geteilt und
zwar in die obere Anwärme- und rockenzone 14
und die untere Bertinisierungszone
15, Die noch fühlbaren heißen Gase werden unterhalb der Absperrböden 13 über Rohr
16 durch Verdichter 17 aus der ringförmigen Außenkammer 11 abgezogen und über Rohrleitung
18 wiederum in das geteilte Iqitelrohr 3 eingedrückt. Es wiederholt sich derselbe
Vorgang und die Abgase können über Rohr 19 an die Atmosphäre abgegeben oder über
Verdichter 20 abgezogen werden. Um ein Abkühlen der Gase an der Außenwand 12 der
ringförmigen Außenkammer 11 zu verhindern, sollte diese mit einer Isolierung 21
versehen werden. Um das einfache Durchrutschen des materials durch den Ofen bzw.
Bebandlungaraum 2 zu verhindern, werden zwischen der inneren und äußeren Wand des
Beleandlungsraumes 2 in Abständen Querstreben 22 eingebaut. Diese sind mit einem
drehbaren Rohr ummantelt. Auf diesem Rohr können Nocken 23 angebracht werden. Diese
Querstreben 24 können auch durch das Mittelrohr 3 geführt werden und so das gesamte
mittelrohr 3 tragen.
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