DE10150074C1 - Verfahren zur Herstellung eines kleinstückigen Brennstoffes mit sehr guten Dosier- und Verbrennungseigenschaften - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines kleinstückigen Brennstoffes mit sehr guten Dosier- und Verbrennungseigenschaften

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kleinstückigen Brennstoffes mit sehr guten Dosier- und Zündeigenschaften, hoher Lagerbeständigkeit, gleichmäßigem Abbrand bei vollständiger Verbrennung, hoher Festigkeit und Feuerstabilität, geringer Schadstoffemission bei der Verbrennung und niedrige Herstellungskosten, der für Feuerstätten und kontinuierlich geregelter Brennstoffzufuhr ebenso wie für Öfen mit kontinuierlicher Beschickung vorteilhaft geeignet ist. DOLLAR A Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: DOLLAR A - Verwendung von reinem Braunkohlenxylit aus Braunkohle durch Abtrennung von der detritischen Braunkohle, der einen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von etwa 65 bis 70% (waf) aufweist und der bei der Verbrennung über einen breiten Temperaturbereich von etwa 300 bis 800 DEG C entbunden wird, der einen niedrigen Asche- und Schwefelgehalt hat und der eine hohe Porosität innerhalb der Xylitfasern aufweist, DOLLAR A - Zerkleinerung des Xylites zu einem Faserstoff mit hoher Feinheit und Aktivierung von latenten stoffeigenen Bindestoffen des Xylites durch intensive und anhaltende mechanische Beanspruchung des Xylites bei Zugabe von Wasser oder Wasserdampf bis Überschreitung des Sättigungswassergehaltes und/oder Erwärmung des Rohxylites, bis ein Teil des Xylites in eine klebrig-pastöse Masse überführt ist, DOLLAR A - Pelletierung des feuchten und zerkleinerten Xylites mit Lochscheiben- oder Lochringpelletpressen zu Pellets mit Durchmessern zwischen 2 bis 20 ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kleinstückigen Brennstoffes mit sehr guten Dosier- und Zündeigenschaften, hoher Lager­ beständigkeit, gleichmäßigem Abbrand bei vollständiger Verbrennung, hoher Festigkeit und Feuerstabilität, geringer Schadstoffemission bei der Ver­ brennung und niedrigen Herstellungskosten, der für Feuerstätten und kontinuierlich geregelter Brennstoffzufuhr ebenso wie für Öfen mit kontinuierlicher Beschickung vorteilhaft geeignet ist.
Die meisten der bislang verwendeten Brennstoffe erfüllen die für die Ver­ brennung in Kleinfeuerstätten notwendigen Qualitätsmerkmale bezüglich guter Dosier- und Zündeigenschaften, gleichmäßiger Abbrand und vollständiger Verbrennung, hohe Festigkeit und Feuerstabilität, geringe Schadstoffemission sowie niedrigen Herstellungskosten nur teilweise.
Für die Verbrennung in Kleinfeuerstätten werden z. B. Braunkohlenbriketts verwendet. Die Briketts haben wegen ihres großen Formates schlechte Dosier­ eigenschaften. Die Briketts sind nicht für Feuerstätten mit kontinuierlich geregelter Brennstoffbeschickung in Kleinfeuerstätten geeignet. Braunkohlen­ briketts haben nur dann die notwendige Festigkeit und Feuerstabilität, wenn die Braunkohle auf einen Wassergehalt von etwa 15 bis 20% getrocknet und danach mit hohen Pressdrücken von größer/gleich 75 MPa sehr stark verdichtet wird. Die Braunkohlenbriketts haben wegen der hohen Verdichtung und durch das große Format schlechte Zündeigenschaft und verbrennen wegen den langen Anbrenn- und Ausbrandphasen während des gesamten Verbrennungsprozesses mit ungleichmäßiger Wärmeentwicklung und hoher Schadstoffemission. Die genannten Nachteile von Braunkohlenbriketts bleiben auch dann zum größten Teil erhalten, wenn die Braunkohle vor der Trocknung nach Patent DE 195 37 238 A1 mit Holzspänen vermischt wird. Die Dosiereigenschaften der groß­ stückigen Briketts bleiben schlecht. Des Weiteren bleibt die lang anhaltende Ausbrandphase der Briketts am Ende des Verbrennungsprozesses verbunden mit hoher Schadstoffemission erhalten. Durch den Zusatz von Holzspänen ver­ bessern sich lediglich die Zündeigenschaften und die Lagerbeständigkeit der Briketts. Wegen des hohen Anteils an hochverdichteter Kohle reicht die Ver­ brennung der Zündeigenschaften der Briketts für den Einsatz in Automatiköfen mit geregelter Brennstoffzufuhr bei weitem nicht aus. Für die Automatiköfen sind Holzpellets gut geeignet, wenn die Holzspäne mit hoher Temperatur und hohen spezifischen Pressdrücken in guter Qualität mit hoher Festigkeit und ohne Unterkornbildung hergestellt werden. Der hohe Aufwand für die Pro­ duktion der reinen Holzpellets verursacht hohe Herstellungskosten. Außerdem besteht bei Wechsel der Holzart die Gefahr von starken Qualitätsschwan­ kungen in der Pelletqualität und damit in den Verbrennungseigenschaften. Die Folgen davon sind die Gefahr der Entstehung von Bunkerbränden und von erhöhter Emission, insbesondere von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Mikropartikeln bei der Verbrennung.
Als Brennstoff für Kleinfeuerstätten werden nach Patent DE 196 08 386 C2 Pellets vorgeschlagen, die aus einem Gemisch von Braunkohle und Faser­ stoffen hergestellt werden. Als Faserstoffe werden gesondert aufbereiteter Faserxylit, Holzspäne, Stroh u. a. m. verwendet. Durch die Vermischung der Rohbraunkohle mit den Faserstoffen und durch die Pelletierung zu klein­ stückigen Brennstoffen entsteht ein Braunkohlenbrennstoff, der sich im Vergleich zu den Braunkohlenbriketts durch deutlich verbesserte Zünd­ eigenschaften, gute Dosier- und Verbrennungseigenschaften und geringe Schadstoffemission auszeichnet. Der wichtigste Nachteil der Braunkohlen­ pellets besteht darin, dass die Pellets wegen der festen Braunkohle und wegen ihres erhöhten Gehaltes an vergleichsweise spezifisch schwerer Asche noch zu langsam verbrennen und bei Automatiköfen mit Brennerschale schnell Ver­ stopfungen und somit erhöhte Schadstoffemissionen durch Ausbildung von Schwelbrandnestern auftreten. Ein wichtiger Nachteil der Braunkohlenpellets ist weiterhin der erhöhte Aufwand für die gesonderte Bereitstellung der Faser­ stoffe und die damit verbundene Erhöhung der Herstellungskosten.
Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung eines kleinstückigen Brennstoffes mit sehr guten Dosier- und Zündeigen­ schaften, hoher Lagerbeständigkeit, gleichmäßigem Abbrand bei vollständiger Verbrennung, hoher Festigkeit und Feuerstabilität, geringer Schadstoffemission bei der Verbrennung und niedrigen Herstellungskosten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unter­ ansprüchen beschrieben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für die Herstellung des neuen Brennstoffes gereinigter Braunkohlenxylit verwendet wird und dieser nach einer bindungsmäßigen Aktivierung zu Pellets mit Durchmessern nach Bedarf von etwa 2 bis 20 mm geformt wird.
Der Xylit ist ein besonders asche- und schwefelarmer fasriger Bestandteil der Braunkohlen mit Aschegehalten von etwa 3% und Schwefelgehalten von etwa 0,3%. Der Xylit ist im Förderzustand fest mit der detritischen Braunkohle verwachsen. Wichtige Voraussetzung für die Herstellung des neuen Brenn­ stoffes ist die saubere Abtrennung des Faserxylites aus der Braunkohle nach einer bereits bekannten Zerkleinerungs- und Klassiertechnologie. Für die Herstellung des neuen Brennstoffes wird gereinigter Faserxylit mit einem niedrigen Restgehalt an detritischer Braunkohle von kleiner/gleich 10% verwendet.
Holzbrennstoffe haben deshalb gute Zünd- und Anbrenneigenschaften, weil sie eine hohe innere Porosität sowie einen hohen Gehalt an Flüchtigen Bestand­ teilen von größer/gleich 80%, bezogen auf wasser- und aschefreie Holz­ substanz haben und die Flüchtigen Bestandteile zum überwiegenden Teil schon bei niedrigen Temperaturen von etwa 250 bis 450°C entbunden werden. Die Zünd- und Verbrennungsgeschwindigkeit solcher Rohstoffe mit sehr hohem Gehalt an Flüchtigen Bestandteilen erhöht sich weiter stark mit kleiner werdender Stückgröße und zunehmender Porosität des Rohstoffes. Die Folgen von zu hoher Verbrennungsgeschwindigkeit sind schlechte thermische Wirkungsgrade bei der Energienutzung und hohe Schadstoffemission durch unvollkommene Verbrennung.
Die Nachteile der zu hohen Verbrennungsgeschwindigkeit von kleinstückigen Brennstoffen mit hoher Porosität und hohem Gehalt an Flüchtigen Bestand­ teilen, wie sie insbesondere für Weichhölzer und Stroh zutreffend sind, können durch Pressverdichtung vermindert werden. Durch die Pressverdichtung ent­ stehen zudem Brennstoffe mit höherer mechanischer Festigkeit und höherer Thermostabilität. Holz und Stroh haben aber schlechte Verdichtungs- und Agglomerationseigenschaften, und die Herstellung von festen und dichteren Brennstoffen aus ihnen ist nur mit hohem technologischen Aufwand und hohen Kosten möglich.
Der Widerspruch zwischen schneller Zündung einerseits und einer gleich­ mäßigen ablaufenden sowie vollständigen und vollkommenen Verbrennung mit hohem thermischen Wirkungsgrad und niedrige Schadstoffemission andererseits bei gleichzeitig geringen Herstellungkosten wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für die Herstellung des neuen kleinstückigen Brennstoffes nahezu kohlefreier Braunkohlenxylit verwendet wird, der einen hohen, aber im Vergleich zu Holz und Stroh einen deutlich niedrigeren Gehalt an Flüchtigen Bestandteilen von etwa 65 bis 70% (bezogen auf wasser- und aschefreien Xylit) hat und die Flüchtigen Bestandteile zudem relativ gleichmäßig über einen breiten Temperaturbereich von etwa 300 bis 800°C entbunden werden. Beides, der verminderte Gehalt an Flüchtigen Bestandteilen einerseits und deren gedämpfte und länger anhaltende Entbindung bei der Erwärmung andererseits, sind wichtige Voraussetzungen für das Erreichen von guten Zündeigenschaften einerseits und der Verbrennung mit optimaler Geschwin­ digkeit sowie hohem thermischen Wirkungsgrad und niedriger Schadstoff­ eigenschaften andererseits. Diese vorteilhaften Verbrennungseigenschaften werden nicht durch die notwendige Verdichtung und Formgebung des Faser­ xylites zu Pellets verschlechtert. Erfindungsgemäß wird das durch die Pelletierung mit geringen Verdichtungsdrücken erreicht. Der Xylit wird dafür mit einem über dem Sättigungswassergehalt liegenden Wassergehalt von etwa 50 bis 65% zu Pellets geformt. Die Verfestigung der Pellets zu einem Brenn­ stoff mit sehr hoher Festigkeit und Feuerstabilität findet bei der nachfolgenden Trocknung auf Wassergehalte von kleiner/gleich 25% und vorzugsweise 6 bis 12% statt. Durch die Pelletierung des feuchten Xylites reduziert sich die Pelletierung auf einen Formgebungsprozess mit geringem Energiebedarf. Außerdem entsteht bei der Verdichtung und Formgebung des feuchten Xylites nach der Abtrocknung des Wassers ein Brennstoff mit einer hohen Porosität zwischen und vor allem in den Fasern des Xylites, und deshalb mit guten Zünd- und Verbrennungseigenschaften. Die Xylitfasern haben eine innere Porosität von etwa 20 bis 40% und häufig ist die Leitkanalstruktur der ursprünglichen Phytomasse noch deutlich erkennbar. Das ist ein wesentlicher Vorteil gegen­ über der Pelletierung von Holzspänen und Stroh mit Wassergehalten von mindestens kleiner/gleich 25% und vorzugsweise 10 bis 12%. Das stark elastische und zähe Holz bzw. Stroh wird erst dann zur Ausbildung eines festen Pelletverbandes befähigt, wenn durch starke Erwärmung und hohen Ver­ dichtungsdruck genügend Bindekräfte aktiviert werden. Das inkompressible Wasser muss deshalb vor der Pelletierung mit hohen Drücken abgetrocknet werden. Außerdem würden bei hohen Wassergehalten wegen der hohen Temperaturen bei der Pelletierung durch die Wasserverdampfung hohe innere Dampfspannungen entstehen, die die Pelletverfestigung verhindern.
Notwendige Voraussetzung für die Herstellung von festen und zugleich porösen Xylitpellets durch Pelletierung mit hohen Wassergehalten und nach­ folgender Trocknung der Pellets ist die Zerfaserung des Rohxylites auf eine hohe Feuchtigkeit und die Aktivierung von latenten Bindestoffen des Xylites. Durch die Zerfaserung werden besonders günstige Voraussetzungen für die Ausbildung von formschlüssigen Verbindungen im Pelletverband geschaffen. Die Aktivierung von latenten Bindestoffen des Xylites ist notwendig, damit die formschlüssig verhakten Xylitfasern noch zusätzlich durch Festkörperbrücken verbunden werden können. Durch die Kombination von formschlüssigen Verbindungen und von Festkörperbrücken zwischen den Xylitfasern wird bindungsgemäß ein Synergieeffekt erschlossen, der die Erzeugung von festen Xylitpellets ohne Hochdruckverdichtung durch Feuchtgutpelletierung und nachfolgender Pellettrocknung ermöglicht und so den Xylitpellets die vorteilhaften Zünd- und Verbrennungseigenschaften verleiht.
Die Aktivierung von latenten Bindestoffen des Xylites wird durch anhaltend intensive Misch- und Zerkleinerungsbeanspruchung bei gleichzeitiger Wasser­ zugabe in Form von Wasser oder Wasserdampf erreicht. Eine Erwärmung des Xylites ist während des Aktivierungsprozesses nicht verfahrensbedingt not­ wendig, aber vorteilhaft. Durch die Erwärmung des Xylites wird der Akti­ vierungsprozess beschleunigt und intensiviert. Gleichzeitig verringert sich der Wasserbedarf für die Aktivierung der Bindestoffe sehr stark und kann bei feuchtem Xylit und bei starker Erwärmung ganz entfallen. Bei dieser Akti­ vierung wird ein Teil des Xylites in eine klebrig-pastöse Masse überführt, die bei der Trocknung der Pellets die sehr festen Festkörperbrücken ausbilden.
Für die Zerkleinerung des Xylites sind alle handelsüblichen Mühlen mit hoher Schlagbeanspruchung und vorzugsweise mit hoher Schneid- und Scher­ beanspruchung geeignet. Für den Aktivierungsprozess sind alle Intensiv­ mischer mit hohem mechanischem Energieeintrag, wie z. B. der Eirich- Intensivmischer, geeignet. Vorzugsweise werden Doppelschneckenextruder verwendet, die den Xylit in einem Arbeitsprozess in vorteilhafter Weise zerkleinern und die Bindestoffe aktivieren. Der Aktivierungsprozess ist bei der Verwendung des Doppelschneckenzerfaserers durch die anhaltende und intensive Druck-Scherbeanspruchung sowie die starke Gutaufwärmung auf etwa 80 bis 100°C besonders wirksam.
Der Zusatz von anderen Faserstoffen und Bindemitteln ist für die Herstellung von hochwertigen kleinstückigen Pellets nicht notwendig, aber prinzipiell möglich, wenn damit spezielle Eigenschaften erreicht werden sollen. Durch den Zusatz von z. B. Strohmehl könnten die Zündeigenschaften weiter verbessert werden.
Nach dem beschriebenen Verfahren entsteht aus Braunkohlenfaserxylit mit Restanteilen an detritischer Braunkohlengrundmasse von kleiner/gleich 10% nach Zerkleinerung und der Aktivierung von latenten Bindestoffen z. B. mit Hilfe des Doppelschneckenzerfaserers durch Pelletierung des feuchten und leicht pastösen aufgeschlossenen Xylites mit Wassergehalten von etwa 50 bis 65% und nachfolgender Trocknung der Pellets auf Wassergehalte von kleiner/gleich 25% und vorzugsweise 6 bis 12% ein Brennstoff mit den in der Aufgabenstellung benannten Eigenschaften. Die Xylitpellets haben durch ihr zylindrisches Format und den bedarfsgerecht einstellbaren Durchmessern zwischen etwa 2 bis 20 mm sehr gute Dosiereigenschaften für alle Ofenarten. Die Pellets haben durch den hohen Gehalt des Xylites an Flüchtigen Bestand­ teilen sowie durch die hohe Porosität der Pellets zwischen und in den Xylit­ fasern gute Zündeigenschaften. Die Verbrennungsgeschwindigkeit ist hoch, aber nicht zu hoch, weil der Gehalt an Flüchtigen Bestandteilen im Vergleich zu den Holzbrennstoffen nur etwa 65 bis 70% beträgt und die Flüchtigen Bestandteile mit gedämpfter Geschwindigkeit und über einen breiteren Temperaturbereich von etwa 300 bis 800°C entbunden werden. Die Pellets zeichnen sich durch die erfindungsgemäße optimale Kombination von formschlüssigen Verbindungen zwischen den Fasern und der Ausbildung von sehr festen Festkörperbrücken durch eine hohe Festigkeit, gute Lagerbe­ ständigkeit sowie hoher Feuerstabilität aus. Die Xylitpellets verbrennen mit geringer Emission von Schadgasen und Mikropartikeln. Das wird durch die Auswahl des schwefel- und aschearmen Xylites und den gleichmäßigen Abbrand der Xylitpellets erreicht. Die stark verhärteten Festkörperbrücken im Pelletverband sind ein wichtiger Grund für die sehr geringe Emission von Mikropartikeln.
Der Xylit ist ein Bestandteil der Braunkohle, die mit hoher Produktivität und geringen Kosten gefördert wird. Der Xylit ist für die Verbrennung ein nach­ teiliger Begleitrohstoff. Nach seiner Abtrennung wird er als billiges Abprodukt an die Kraftwerke geliefert. Die geringen Rohstoffkosten und die einfache erfindungsgemäße Herstellungstechnologie ermöglichen die Herstellung des Xylitpellets mit geringen Kosten.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines kleinstückigen Brennstoffes mit sehr guten Dosier- und Verbrennungseigenschaften sowie hoher Lagerbeständigkeit, geringer Schadstoffemission bei der Verbrennung und niedrigen Herstellungskosten, gekennzeichnet durch die folgende Kombination von Einzelschritten
  • - Verwendung von reinem Braunkohlenxylit aus Braunkohle durch Abtrennung von der detritischen Braunkohle, der einen Gehalt an Flüchtigen Bestandteilen von etwa 65 bis 70% (waf) aufweist und die bei der Verbrennung über einen breiten Temperaturbereich von etwa 300 bis 800°C entbunden werden, der einen niedrigen Asche- und Schwefelgehalt hat und der eine hohe Porosität innerhalb der Xylitfasern aufweist,
  • - Zerkleinerung des Xylites zu einem Faserstoff mit hoher Feinheit und Aktivierung von latenten stoffeigenen Bindestoffen des Xylites durch intensive und anhaltende mechanische Beanspruchung des Xylites bei Zugabe von Wasser oder Wasserdampf bis Überschreitung des Sät­ tigungswassergehaltes und/oder Erwärmung des Rohxylites, bis ein Teil des Xylites in eine klebrig-pastöse Masse überführt ist,
  • - Pelletierung des feuchten und zerkleinerten Xylites mit Lochscheiben- oder Lochringpelletpressen zu Pellets mit Durchmessern zwischen 2 bis 20 mm und nachfolgender Trocknung der Pellets mit bekannten Pellettrocknern auf Wassergehalte von kleiner/gleich 25%.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der reine Braunkohlenxylit so aufbereitet wird, dass er einen Restgehalt an detritischer Braunkohle von kleiner/gleich 10% aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Xylit zum überwiegenden Teil zu feinen dünnen Fasern zerkleinert wird und der überwiegende Teil der Fasern eine Länge von kleiner/gleich 15 mm und eine Stärke von kleiner/gleich 3 mm hat.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zer­ kleinerung des Xylites handelsübliche Zerkleinerungsmaschinen mit hoher Schlagwirkung und/oder mit hoher Scher- und Schneidbeanspruchung des Gutes und für die Aktivierung der latenten stoffeigenen Bindestoffe Intensivmischer verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zerkleinerte und bindungsmäßig aktivierte Xylit vor der Pelletierung noch zusätzlich mit anderen Stoffen vermischt wird, die die Festigkeit der Pellets oder, wie Strohmehl, die Zündeigenschaften zusätzlich verbessern.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Lochscheiben- oder Lochringpelletpressen hergestellten Pellets mit bekannten Pellettrocknern auf Wassergehalte von 6 bis 15% getrocknet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass für die Zerkleinerung des Xylites Doppelschnecken­ extruder Verwendung finden, mit denen die Zerkleinerung des Xylites und die Aktivierung von Bindestoffen gleichzeitig in einer Prozessstufe und mit besonders hoher Effektivität erreicht wird.
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