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 VerbrennungseigenschaftenInfo
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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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