DE10106211A1 - Verfahren zur Herstellung von hochwertigen, kleinstückigen Brennstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochwertigen, kleinstückigen Brennstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen, die sich durch gute Verbrennungseigenschaften und geringe Schadstoffemission bei der Verbrennung auszeichnen und vorzugsweise in Feuerstätten mit automatischer Brennstoffbeschickung eingesetzt werden. DOLLAR A Die kleinstückigen Brennstoffe haben die Form von runden Granulaten, die durch Aufbauagglomeration in einem Granuliermischer hergestellt werden. Verfahrensseitig richtet sich das Schutzbegehren darauf, dass als Granulierhilfsmittel aktivierte Weichbraunkohle verwendet wird, die sowohl als Bindemittel als auch als die Verbrennungsgeschwindigkeit regulierende Brennstoffkomponente fungiert. DOLLAR A Verfahrensbedingungen sind die Vorzerkleinerung der nachwachsenden Rohstoffe und der Braunkohle, der Einsatz der nachwachsenden Rohstoffe im feuchtigkeitsgesättigten Zustand, die mechanische Aktivierung, Aufquellung sowie partielle Auflösung der Weichbraunkohle, die zeitlich gestreckte Wasserzuführung während des Granulierprozesses, die Erwärmung der Granuliermischung sowie die Trocknung des feuchten Rohgranulates auf einen Feuchtegehalt von < 20%, vorzugsweise < 12%.

Description

Die Notwendigkeit einer nachhaltigen Entwicklung auf dem Gebiet der Energierohstoffe und der Verringerung der Umweltbelastung bei der Energiewandlung haben der Nut­ zung von nachwachsenden Rohstoffen als Energiequelle eine erhöhte Bedeutung ver­ liehen. Die nachwachsenden Rohstoffe, wie z. B. Holz oder Stroh, fallen zu einer größe­ ren Menge in Form von Schäben, Häcksel, Fasern, Spänen oder Hackschnitzeln an. Sie sind in diesem Zustand, auch wenn ihr Feuchtegehalt durch eine Trocknung redu­ ziert worden ist, für viele Einsatzfälle kein geeigneter Brennstoff. Die Hauptnachteile sind ihr großes Transportvolumen, ihre schlechte Dosierbarkeit und ihre zu schnelle und unvollständige Verbrennung. Letzteres wird durch ihre hohe Porosität und ihren hohen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von 80 bis 90% verursacht. Die flüchtigen Bestand­ teile werden zum überwiegenden Teil schon bei niedrigen Feuerraumtemperaturen ab etwa 250°C in einem engen Temperaturbereich bis etwa 400°C entbunden. Die nach­ wachsenden Rohstoffe zeichnen sich andererseits durch sehr gute Zündeigenschaften aus, wenn sie getrocknet sind. Der nachfolgende zu schnelle Abbrand führt jedoch in vielen Verbrennungsanlagen zu einer schlechten Wärmeausnutzung und zu einer er­ höhten Emission von Schadstoffen, vor allem in Form von Kohlenmonoxid, Kohlenwas­ serstoffen, Geruchsstoffen sowie festen und flüssigen Mikropartikeln.

Die genannten Nachteile werden nur teilweise beseitigt, wenn die nachwachsenden Rohstoffe allein durch Prozessverdichtung mit Pellet- oder Stempelpressen in stückige und dichte Brennstoffe überführt werden. Großformatige Briketts haben wieder den Nachteil von ungünstigeren Zündeigenschaften sowie einer zu langen Phase des End­ abbrandes. In der An- und Endabbrandphase werden aber besonders hohe Anteile an Schadstoffen emittiert. Briketts haben zudem für häusliche Kleinfeuerstätten schlechte Dosiereigenschaften. Die Öfen werden diskontinuierlich mit den Briketts beschickt. Die Brennstoffschüttung im Ofenraum ist wegen des sperrigen Brennstoffformates sehr un­ gleichmäßig. Das verursacht zeitliche und lokale Schwankungen in der Verbrennungs­ intensität, verbunden mit erhöhter Schadstoffemission. Die großformatigen Brennstoffe sind wegen ihres schlechten Dosierverhaltens prinzipiell ungeeignet für Automatikfeue­ rungen.

Es ist bekannt, dass mit Pelletpressen auch kleinformatige Agglomerate mit günstigen Verbrennungseigenschaften aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden können. So sind zum Beispiel Holzpellets auf dem Markt mit Durchmessern von ca. 4 bis 15 mm, die sich für den Einsatz in Automatiköfen gut eignen. Die bekannten Verfahren zur Herstellung von gepressten großstückigen und kleinstückigen Brennstoffen hoher Dichte aus getrockneten nachwachsenden Rohstoffe haben den gemeinsamen Nach­ teil, dass für die Pressverdichtung viel Elektroenergie benötigt wird, weil es sich um vergleichsweise schlecht brikettierbare und elastische Rohstoffe handelt. Das hat hohe Kosten für Energie und für Maschinenverschleiß zur Folge. Außerdem ist die Qualität der Presslinge bei den meisten Holz- und Stroharten hinsichtlich Festigkeit und vor al­ tem Feuerstandfestigkeit unzureichend, was zu Energieverlusten und zu erhöhter Schadstoffemission, z. B. als Folge der Ausbildung von Schwelbrandnestern durch zu schnellen Presslingszerfall, führt. Ein wichtiger Nachteil von Holzhackschnitzeln, Holz­ pellets und der meisten Holzbriketts ist des weiteren, dass sie nach der Zündung in der Hauptverbrennungsphase zu intensiv verbrennen. Das ist vor allem bei Holzbrennstof­ fen mit erhöhtem Splintholzanteil und/oder Hölzern mit mittlerer bis hoher Porosität so­ wie allen Brennstoffen aus Stroh der Fall. Das führt zu Energieverlusten und zur Schad­ stoffemission als Folge von phasenweise unvollkommener Verbrennung. Die Schad­ stoffemission wird vielfach weiter erhöht, wenn die zu schnelle Verbrennung durch Drosselung der Luftzufuhr verhindert werden soll.

Die technische Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines kleinstückigen Brennstoffs aus nachwachsenden Rohstoffen mit guten Dosier- und La­ gereigenschaften und vorteilhaften Zünd- und Verbrennungseigenschaften zu entwi­ ckeln. Der Brennstoff soll mit hohem thermischen Wirkungsgrad und geringer Schad­ stoffemission in geregelten Automatik Automatiköfen verbrannt und mit geringem Auf­ wand an Anlagentechnik sowie Elektro- und Wärmeenergie auch in dezentralen Klein­ anlagen kostengünstig produziert werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Aufbaugranulation zu einem Granulat mit Hilfe eines Granuliermischers unter Verwendung von Weichbraun­ kohle durchgeführt wird, wobei die Weichbraunkohle als Granulierhilfsmittel und als Hilfsstoff zur Verhinderung einer zu schnellen Verbrennung der nachwachsenden Roh­ stoffe in der Hauptverbrennungsphase wirksam wird. Nachwachsende Rohstoffe wie Holz oder Stroh liegen im zerkleinerten Zustand als faseriges bzw. späniges Gut vor. In dieser Form ist eine Aufbauagglomeration zu einem Granulat mit der erforderlichen hohen Festigkeit und kugliger Form mit üblichen Verfahren nicht realisierbar. Den fa­ serförmigen bzw. spänigen Rohstoffen fehlen nämlich wichtige Voraussetzungen für den Aufbauagglomerationsprozess. Die Partikel haben kein ausreichendes Partikelein­ ordnungsvermögen bei der geringen mechanischen Verdichtung, und es fehlt ihnen die erforderliche Rolligkeit, so dass der Agglomerataufbau zu einem stabilen Granulatkorn nicht möglich ist. Die Bewegung im Mischapparat führt sofort zur Verfilzung, die durch den Zusatz von flüssigen Granulierhilfsmitteln noch verstärkt wird. Es bilden sich des­ halb klumpenförmige Agglomerate mit unzureichender Verdichtung der sperrigen Fa­ sern oder Spänen sowie unregelmäßiger Gestalt aus, es entsteht aber kein gleichförmi­ ges und dichtes Granulat. Wenn aus den nachwachsenden Rohstoffen überhaupt ein hochwertiges Brennstoffgranulat durch die Aufbauagglomeration entstehen soll, dann muss ein Granulierhilfsmittel eingesetzt werden, das nicht nur als Bindemittel wirkt, sondern es muss gleichzeitig den Abroll- und Verdichtungsprozess in Gang bringen. Es wurde gefunden, dass Weichbraunkohle nach einer Aktivierung diese Doppelfunktion sehr gut erfüllen kann. Wird eine ausreichende Menge an mit Wasser, Wärme und durch hohe Gutbeanspruchung aktivierte Weichbraunkohle dem feinfasrigen bzw. feinspänigen nachwachsenden Rohstoffen zugesetzt, dann stellen sich die für die Gra­ nulatbildung erforderlichen Mischgutbewegungen und Verdichtungsbedingungen im Granuliermischer ein. Ein Entmischen von Kohlepartikeln und Fasern bzw. Spänen tritt nicht auf, weil die aktivierte Rohbraunkohle gleichzeitig als Einbettungs- und Bindemittel wirkt. Es entwickelt sich eine stabile Haftung zwischen Kohlepartikeln und Fasern, durch die der homogene Granulataufbau maßgeblich begünstigt wird. Für die Entfaltung der Bindewirkung der Kohle ist es erforderlich, dass sie durch einen ausreichenden Eintrag an mechanischer Energie sowie durch Zuführung von Wasser und Erwärmung vor oder während der Mischung aktiviert wird. Außerdem werden intensive Mischkräfte für die Formung und Verdichtung der Brennstoffe zu Granulat benötigt. Durch die Mischkräfte, das Wasser und die Wärme wird die feuchte Weichbraunkohle bindungs­ mäßig aktiviert und plastifiziert, und es geht ein Teil ihrer Huminsäuren in makromole­ kulare und kolloidale Lösung. All das sind wichtige Voraussetzungen für den notwendi­ gen Binde- und Einbettungserfolg. Die Bedingungen sind so einzustellen, dass die Fasern bzw. Späne möglichst vollständig mit gelösten und kolloidal dispergierten Koh­ lebestandteilen, insbesondere Huminsäuren und Kohlewachsen durchtränkt werden, weil nur dann ein ausreichend stabiles Granulat durch Adhäsionsverbunde entstehen kann. Um den Löse- und Durchtränkungsprozess zu forcieren, muss eine optimale Menge an Wasser in den Granuliermischer eingetragen werden.

Wichtig ist für die Ausbildung eines stabilen Adhäsionsverbundes weiterhin, dass die dem Mischgranulator zugeführten nachwachsenden Rohstoffe feinfasrig und feinspänig sind und mindestens ihren Sättigungsfeuchtegehalt haben oder leicht oberflächenfeucht sind. Ein weiterer Teil an Wasser muss während des Granulierprozesses möglichst fein verdüst oder über Dampfkondensation zugeführt werden. Dieses Wasser wird als Hilfsmittel für die Granulatbildung und den Partikeleinordnungsprozess benötigt. Unter optimalen Verfahrensbedingungen können Fasern- bzw. Späne mit einer Länge von bis zu 10 mm homogen in die Granulatstruktur eingebunden werden. Eine hohe Späne- und Faserfeinheit von kleiner 5 mm ist aber von Vorteil. Des Weiteren sollte im Interes­ se einer möglichst engen Korngrößenverteilung und einer hohen Granulatdichte die Weichbraunkohle auf eine Körnung von < 2 mm vorzerkleinert werden. Das frisch erzeugte Rohgranulat aus feuchten und zerkleinerten nachwachsenden Roh­ stoffen und bindungsmäßig aktivierter Weichbraunkohle hat noch eine geringe Festig­ keit und ist als Brennstoff in dieser Form nicht verwendbar. Festes Granulat mit der wichtigen hohen Feuerstandfestigkeit sowie mit guten Zünd- und Verbrennungseigen­ schaften entsteht erst bei der Trocknung des Rohgranulates auf Wassergehalte von kleiner 20% und vorzugsweise kleiner 12%. Die aktivierte Weichbraunkohle bildet mit den nachwachsenden Rohstoffen während der Trocknung in Folge der Auslösung star­ ker Bindekräfte einen festen Adhäsionsverbund aus, der durch den Trocknungsprozess zugleich irreversibel gemacht wird. Aus der aktivierten Weichbraunkohle entsteht durch die Verdichtung und nachfolgende Trocknung ein fester, thermostabiler und wasserbe­ ständiger Stoff mit einer im Vergleich zu Rohbraunkohle wesentlich geringeren Verbrennungsgeschwindigkeit. Die verfestigte Braunkohlenmatrix verleiht dem Granulat nicht nur Festigkeit und Feuerstandfestigkeit, sondern auch eine gute Dosierbarkeit und hohe Lagerbeständigkeit, und sie verhindert eine zu schnelle Verbrennung der nach­ wachsenden Rohstoffe insbesondere in der Hauptverbrennungsphase. Mit diesen Qua­ litätsmerkmalen ist das Granulat ein vorteilhafter Brennstoff für Automatiköfen. Die für die Granulatherstellung benötigte Anlagentechnik ist vergleichsweise weniger aufwen­ dig. Der Elektroenergiebedarf und der Maschinenverschleiß sind deutlich niedriger als bei den Pressverdichtungsverfahren. Für die Granulattrocknung kann z. B. billige Ab­ wärme oder Niedrigtemperaturwärme über die Kraft-Wärme-Kopplung verwendet wer­ den. Insgesamt ist die Herstellung von Granulat in der erfindungsgemäßen Weise wesentlich kostengünstiger als die Herstellung von Pressagglomeraten. Die bevorzugte Granulatgröße ist kleiner/gleich 8 mm.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Auf eine Faserlänge von kleiner/gleich 5 mm vorzerkleinertes Weizenstroh wird durch Wässern auf seinen Sättigungsfeuchtegehalt von ca. 50% gebracht. Die als Granulier­ hilfsmittel verwendete Weichbraunkohle hat eine Körnung von 0-2 mm und einen Feuchtegehalt von 54%. 30 Masseprozent des feuchten Strohs und 70 Masseprozent Weichbraunkohle werden einem Intensivmischer mit Wirbelmischwerkzeug aufgegeben. Bezogen auf das Volumen der feuchten Stoffe entspricht dies einem Mengenverhältnis von etwa 1 : 1. In dem Wirbelmischer setzt die Granulatbildung sofort ein, sobald die intensive Gutbeanspruchung im Wirbelmischer einsetzt, gleichzeitig Wasser zugedüst wird und das Gut sich erwärmt. Nach einem Wasserzusatz von ca. 10 Masseprozent, bezogen auf die feuchten Einsatzstoffe, ist die Granulatbildung abgeschlossen. Das feuchte Rohgranulat wird in einem Durchströmungstrockner auf einen Feuchtegehalt von 15% getrocknet. Das Granulat ist nach der Trocknung fest und rieselfähig. Es zeichnet sich durch gute Zünd- und Verbrennungseigenschaften sowie eine geringe Schadstoffemission beim Einsatz in Automatiköfen aus. Wichtig ist vor allem der gleichmäßige und gedämpfte Abbrand in der Hauptverbrennungsphase. Das Granulat zerfällt nicht in der Glutzone.

Beispiel 2

Granulatherstellung gemäß Beispiel 1 unter Verwendung von Holzspänen mit einer Körnung von 0-3 mm.

Das Masseverhältnis feuchtes Holz : Rohbraunkohle ist 40 : 60, entsprechend einem Volumenverhältnis der feuchten Stoffe von ca. 65 : 35. In Abweichung zu Beispiel 1 wird das Granulat mit einem Kontakttrockner auf einen Feuchtegehalt von 10% getrocknet.

Beispiel 3

Granulatherstellung gemäß Beispiel 1 unter Verwendung von Rapsstroh als nachwach­ senden Rohstoff.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von hochwertigen, kleinstückigen Brennstoffen aus nach­ wachsenden Rohstoffen, die sich durch gute Verbrennungseigenschaften und gerin­ ge Schadstoffemission bei der Verbrennung auszeichnen, unter Einsatz eines Gra­ niermischers, dadurch kennzeichnet sich, dass folgende Agglomerationsbedingun­ gen eingehalten werden:

• a) Verwendung von aktivierter Weichbraunkohle als Granulierhilfsmittel, das den Abroll- und Partikeleinordnungsprozess ermöglicht und als Bindemittel fungiert so­ wie als Brennstoffkomponente die hohe Verbrennungsgeschwindigkeit der in der Hauptverbrennungsphase nachwachsenden Rohstoffe dämpft;
• b) Vorzerkleinerung der Rohbraunkohle auf eine Körnung kleiner 5 mm und vorzugs­ weise kleiner 2 mm;
• c) Maximale Faser- bzw. Spänelänge der nachwachsenden Rohstoffe von 10 mm und vorzugsweise kleiner 5 mm;
• d) Einsatz der nachwachsenden Rohstoffe im feuchtigkeitsgesättigten Zustand oder im oberflächenfeuchten Zustand als Voraussetzung für die Ausbildung eines stabilen Adhäsionsverbundes in den Grenzflächen zwischen nachwachsenden Rohstoffen und Weichbraunkohle;
• e) Mechanische Aktivierung, Aufquellung sowie partielle kolloidale und makromolekula­ re Auflösung der Weichbraunkohle zur Entfaltung ihrer Bindewirkung sowie Überfüh­ rung der Granuliermischung in eine feuchte Masse mit guten Roll- und Partikelein­ ordnungseigenschaften durch hohen Eintrag an mechanischer Energie über die Mischorgane des Mischgranulators, dosierte und zeitlich gestreckte Wassereinfüh­ rung während des Granulierprozesses sowie Erwärmung durch Wärmezufuhr oder Eigenerwärmung;
• f) Erzeugung eines feuchten Rohgranulates mit kugelförmigen Granulatkörnern mit Korngrößen von kleiner 6 mm;
• g) Trocknung des feuchten Rohgranulates auf einen Feuchtegehalt von < 20%, vor­ zugsweise < 12%

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als nachwachsende Rohstoffe Holz, Stroh, Gräser, Schilfe und ähnliche faserförmige Reststoffe aus Land- und Forstwirtschaft eingesetzt werden und sie auf eine möglichst hohe Fein­ heit zerkleinert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Weichbraunkohlen aus unterschiedlichen Lagerstätten als Granulierhilfsmittel eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulatherstellung in Intensivmischern mit Wirbelmischwerkzeug erfolgt.