DE102004042659A1

DE102004042659A1 - Brennstoffformkörper, insbesondere Spelzen enthaltend, sowie Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102004042659A1
Application number: DE200410042659
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kottmann; Hans-Hermann Kottmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffformkörper (1), enthaltend einen agraren Abfallstoff; einen ersten Zusatzstoff zur Heizwerterhöhung und einen zweiten Zusatzstoff zur Verringerung von Schlackebildung. Der agrare Abfallstoff kann ein primärer Abfallstoff einer Getreideernte, insbesondere Spelzen von Weizen, Roggen, Hafer, Gerste, Reis und/oder Hirse, sein. Der erste Zusatzstoff zur Brennwerterhöhung kann ein Restprodukt der Getreideverarbeitung, insbesondere Kleie von Weizen, Roggen, Hafer, Gerste, Reis und/oder Hirse, enthalten, der zweite Zusatzstoff zur Verringerung von Schlackebildung ist vorzugsweise Kalk. Das zugehörige Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffformkörpers umfasst die Schritte: Mischen eines agraren Abfallstoffs, eines ersten Zusatzstoffs zur Erhöhung des Heizwertes und eines zweiten Zusatzstoffs zur Verminderung der Schlackebildung zu einem Stoffgemisch und Formen des Stoffgemisches zu einem Formkörper, insbesondere durch Strangpressen und Zerteilen oder Zerbrechen des gepressten Stranges. Die Einsatzstoffe werden in folgenden Gewichtsanteilen gemischt: agrarer Abfallstoff, insbesondere Getreidespelzen, zwischen 20 und 90%, bevorzugt zwischen 50 und 70%, besonders bevorzugt zwischen 55 und 65%; erster Zusatzstoff, insbesondere Getreidekleie, zwischen 80 und 10%, bevorzugt zwischen 30 und 50%, besonders bevorzugt zwischen 35 und 45%, und zweiter Zusatzstoff, insbesondere Kalk, zwischen 0,5 und 5%, bevorzugt zwischen 1 und 3%, ...

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffformkörper, welcher einen agraren Abfallstoff, insbesondere Getreidespelzen, enthält und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Brennstoffformkörpers.

Bei der Getreideernte mit modernen Verfahren, insbesondere beim Einsatz von Mähdreschern aber auch bei anderen Ernteverfahren, fallen jährlich primäre Abfälle an, die sich nur schwer verwerten lassen und teilweise, je nach gesetzlichen Bestimmungen, sogar aufwändig entsorgt werden müssen. Es handelt sich dabei insbesondere um Spelzen von Getreide wie Weizen, Roggen, Hafer, Gerste, aber auch von Agrarprodukten wie Reis und Hirse. Spelzen sind von ihrer Konsistenz etwa Blättern ähnlich, da sie eine Art Schutzblätter um die Getreidekörner bilden. Für Spelzen gibt es bisher keine wichtigen Verwertungsmöglichkeiten. Solche und ähnliche Materialien mit einem deutlich geringeren Brennwert als Holz, die auch Anteile von Staub und Fremdkörpern enthalten können, werden im folgenden als agrare Abfallstoffe bezeichnet.

Da Getreidekörner zu etwa 20 % aus einer recht harten Schale bestehen, die eine ähnliche Konsistenz wie Holz hat, fällt beim späteren Mahlen von Getreide zu Mehl als zerkleinerte Schale Kleie an, für die es zwar verschiedene Verwertungsmöglichkeiten gibt, die aber typischerweise auch zum Verbrennen geeignet ist und sogar einen recht hohen Brennwert hat. Weiterhin fallen auch gelegentlich Chargen von Getreideernten an, die aus verschiedenen Gründen unverkäuflich sind. Auch solche Getreidechargen haben einen hohen Brennwert. Bei der Verbrennung der bisher genannten Materialien, die gelegentlich versuchsweise durchgeführt wurde, ergaben sich Probleme mit erhöhter Schlackebildung, die zu geringeren Lebensdauern der Öfen führte, in denen die Verbrennung erfolgte. Zudem muss bei Verbrennung von Getreide oder Getreideresten im Vergleich zu anderen Brennstoffen eine erhöhte Luftzufuhr gewährleistet sein. Die dichte Packung solcher Materialien in kleineren Öfen führt im Vergleich zu konventionellen Brennstoffen zu einer längeren Verbrennungszeit, die eine Vergrößerung des nötigen Brennraumes bedingt. Zudem neigt Getreide gerade ab einer gewissen Restfeuchte zu Selbstentzündung, wodurch die Lagerhaltung verkompliziert und verteuert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffformkörpers, der einen kostengünstigen und umweltschonenden Weg der Entsorgung von agraren Abfallstoffen und/oder Restprodukten der Mehlherstellung durch Verbrennung ermöglicht. Auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formkörpers soll angegeben werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffformkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.

Ein erfindungsgemäßer Brennstoffformkörper enthält, nach Möglichkeit weitgehend homogen gemischt, einen agraren Abfallstoff, einen ersten Zusatzstoff zur Heizwerterhöhung und einen zweiten Zusatzstoff zur Verringerung von Schlackebildung. Diese Zusammensetzung erlaubt eine Verbrennung solcher Brennstoffformkörper in speziellen Verbrennungsöfen, wie sie für vergleichbare Brennstoffe entwickelt wurden, insbesondere auch mit kleineren Heizleistungen von 10 bis 100 kW. Die Mischung der verschiedenen Stoffe führt einerseits zu einem akzeptablen Brennwert, der in der Nähe des Brennwertes von Holz liegen kann, und erlaubt andererseits die Herstellung von Brennstoffformkörpern in genügend gro ßen Mengen, um lokal oder regional agrare Abfallstoffe einsetzen zu können. Eines der Hindernisse, die bisher eine Verwertung beispielsweise von Getreidespelzen erschwerten, lag darin, dass diese Abfallprodukte gerade zur Erntezeit anfallen, in denen die Speicherkapazität für das hochwertige Getreide ohnehin schon knapp ist. Eine Speicherung von als schwer zu beseitigendem Abfall angesehenen Spelzen wurde daher kaum in Betracht gezogen. Im Gegensatz dazu fällt Kleie während der Vermahlungsprozesse von Getreide über das ganze Jahr an, so dass eine gemeinsame Verwertung dieser Stoffe kaum in Betracht gezogen wurde. Die vorliegende Erfindung schafft hier ein neues Brennstoffkonzept, welches durch einen zweiten Zusatzstoff zur Verringerung von Schlackebildung noch verbessert wird.

Besonders bevorzugt wird das beschriebene Gemisch in Form von Presslingen verarbeitet, so dass insbesondere eine Pellet oder Brikettform entsteht. Auch die Herstellung von kugelförmigen, zylinderförmigen oder quaderförmigen Presslingen ist möglich, wobei im wesentlichen wirtschaftliche Gesichtspunkte das Herstellungsverfahren bestimmen und die Eigenschaften beim Zuführen der Brennstoffformkörper zu einem Ofen die Form beeinflussen. Die Brennstoffformkörper sollten gut transportierbar und schütt- oder rieselfähig sein, ohne dass zuviel Staub entsteht. In einer Ausgestaltung der Erfindung sollte der Brennstoffformkörper einen Gewichtsanteil an agrarem Abfallstoff zwischen 20 und 90 %, bevorzugt zwischen 50 und 70 %, besonders bevorzugt zwischen 55 und 65 % betragen. Als agrarer Abfallstoff werden Spelzen von Getreide, insbesondere von Weizen, Roggen, Hafer, Gerste, Reis und/oder Hirse bevorzugt. Weiterhin sollte der Gewichtsanteil des ersten Zusatzstoffes zwischen 80 und 10 %, bevorzugt zwischen 30 und 50, besonders bevorzugt zwischen 35 und 45 % liegen. Dieser erste Zusatzstoff ist bevorzugt Getreidekleie, insbesondere wieder von den oben genannten Getreidesorten. Weiterhin sollte der Gewichtsanteil des zweiten Zusatzstoffes zwischen 0,5 % und 5 %, bevorzugt zwischen 1 % und 3 %, besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5 % liegen. Dieser zweite Zusatzstoff ist in einer bevorzugten Ausführungsform Kalk und verhindert die übermäßige Bildung von Schlacke. Natürlich muss die Gesamtsumme der Anteile immer 100 % betragen. Grundsätzlich ist es möglich, weitere Bestandteile in der Mischung vorzusehen. Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Brennstoffformkörpers enthält etwa 60 % Spelzen, 38 % Kleie und 2 % Kalk.

Aufgrund der sehr wirtschaftlichen Herstellungsmöglichkeit hat ein erfindungsgemäßer Brennstoffformkörper besonders bevorzugt die Form eines Teilstückes, insbesondere eines Bruchstückes, eines gepressten Stranges, wobei dieser Strang bevorzugt einen runden Querschnitt aufweist, aber auch einen leicht ovalen Querschnitt haben kann.

Die Größe solcher Brennstoffformkörper liegt bezüglich des größten Durchmessers des Stranges zwischen 1 und 15 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 6 und 8 mm. Die Länge der Brennstoffformkörper in Richtung des Stranges liegt erfindungsgemäß zwischen 5 und 60 mm, vorzugsweise zwischen 10 und 40 mm, besonders bevorzugt zwischen 20 und 30 mm. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass es nicht erforderlich ist, dass alle Brennstoffformkörper gemäß der Erfindung die gleiche Länge haben. Eine erhebliche Variation der Länge in den angegebenen Grenzen beeinträchtigt die spätere Verwendung als Brennstoff nicht.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es möglich die Brennstoffformkörper als Briketts auszubilden, wobei deren größte Ausdehnung zwischen 10 und 150 mm liegen sollte, vorzugsweise zwischen 30 und 100 mm, insbesondere zwischen 50 und 90 mm, und wobei die kleinste Ausdehnung zwischen 2 und 50 mm, vorzugsweise zwischen 10 und 20 mm, liegen sollte.

Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Brennstoffformkörpers, welches die folgenden Schritte umfasst:

a) Mischen eines agaren Abfallstoffs, eines ersten Zusatzstoffs zur Erhöhung des Heizwertes und eines zweiten Zusatzstoffs zur Verminderung der Schlackebildung zu einem Stoffgemisch und
b) Formen des Stoffgemischs zu einem Formkörper, insbesondere durch Strangpressen und Zerteilen oder Zerbrechen des gepressten Stranges.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die kostengünstige Verwendung sonst kaum wirtschaftlich einsetzbarer Materialien zur Erzeugung eines relativ hochwertigen Brennstoffes, der etwa den Brennwert von Holz erreichen kann.

Je nach Konsistenz der verwendeten Mischungskomponenten können diese vor der Mischung aufbereitet, insbesondere zerkleinert oder gemahlen werden. Ziel ist es dabei, eine maximale Partikelgröße zwischen 1 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 4 mm zu erreichen, wodurch das anschließende Verpressen erleichtert wird. Grundsätzlich eignen sich jedoch die bevorzugt genannten Stoffe auch ohne Aufbereitung für die Herstellung von Brennstoffformkörpern gemäß der vorliegenden Erfindung.

Von Vorteil ist es, wenn beim Verpressen Wärme, insbesondere in Form von Wasserdampf auf die Mischung, insbesondere auf deren Oberfläche, einwirkt. Dadurch entsteht eine gewisse Verklebung der Partikel untereinander, was die spätere Stabilität der Brennstoffformkörper beim Transport und bei der Zufuhr zu einem Ofen verbessern. Dieses Verkleben der Oberfläche erfolgt besonders einfach durch Wasserdampf mit einer Temperatur von 100 bis 200°C, der auf das Stoffgemisch geleitet wird.

Nach dem Verpressen wird die Mischung vorzugsweise in etwa waagerechter Richtung extrudiert, so dass entsprechend der Brüchigkeit des Stranges und des Gewichts des austretenden Stranges immer wieder Brennstoffformkörper von dem Strang abbrechen. Es entsteht zwar eine statistische Verteilung der Längen der Formkörper, jedoch schadet dies bei der weiteren Verwendung nicht. Dafür kann dieser Prozess schnell und kontinuierlich und sehr wirtschaftlich durchgeführt werden. Es entsteht bei dieser Herstellungsform ein ganz typisches Verhältnis zwischen der durchschnittlichen Länge und dem Durchmesser der Brennstoffformkörper, wobei dieses Verhältnis etwas durch die Intensität der Verklebung der Oberfläche und die Temperatur sowie weitere Verfahrensparameter beeinflusst werden kann. Die Temperatur des Stoffgemisches, zumindest an der Oberfläche, sollte während mindestens eines der Verfahrensschritte, insbesondere beim Verpressen mindestens 60°C, bevorzugt mindestens 80°C, besonders bevorzugt sogar etwa 100°C betragen.

Schematische Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Formkörper sind in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen
1 einen Formkörper als Bruchstück eines Pressstranges mit rundem Querschnitt,
2 ein Bruchstück eines Pressstranges mit ovalem Querschnitt,
3 ein kugelförmiges Pellet,
4 ein quaderförmiges Pellet
und 5 ein zylindrisches Pellet.
1 veranschaulicht, dass ein erfindungsgemäßer Brennstoffformkörper 1, wenn er nach der erfindungsgemäß bevorzugten Herstellungsmethode hergestellt wird, an seinen Stirnseiten zwei Bruchflächen aufweist, wobei er einen gleichmäßigen Durchmesser D, aber gegenüber anderen Formkörpern variierende Längen L aufweisen kann.
2 veranschaulicht die Situation bei einem Formkörper 21, der aus einem Strang mit ovalem Querschnitt hergestellt ist. Der größte Durchmesser D des Querschnitts ist wiederum veranschaulicht. Durch die Stellung des größten Durchmessers im Raum beim Extrudieren kann bei diesem Ausführungsbeispiel die Länge der Brennstoffformkörper beeinflusst werden.
3 zeigt schematisch einen kugelförmigen Brennstoffformkörper 31 mit dem Durchmesser D, 4 einen quaderförmigen Brennstoffformkörper 41 und 5 einen zylindrischen Brennstoffformkörper 51 mit einem Durchmesser D und einer Länge L.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht in sehr wirtschaftlicher Weise die Verwertung von agraren Abfallstoffen, insbesondere von bisher schwer zu entsorgenden Spelzen in Kombination mit anderen bei der Getreideverarbeitung entstehenden Materialien. Die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen schont die Umwelt, die Bilanz bezüglich der Entstehung von Kohlendioxid ist ausgeglichen, weil beim Nachwachsen die gleiche Menge verbraucht wird, die bei der späteren Verbrennung wieder freigesetzt wird. Die Verbrennung in modernen Öfen erzeugt auch nur geringe andere Schadstoffe, so dass gemäß der vorliegenden Erfindung insgesamt Energie gewonnen werden kann, wo früher eine aufwändige Entsorgung, möglicherweise sogar unter Verbrauch von Energie, erforderlich war.

1: Brennstoffformkörper (Bruchstück eines gepressten runden Stranges)
21: Brennstoffformkörper (Bruchstück eines gepressten ovalen Stranges)
31: kugelförmiger Brennstoffformkörper
41: quaderförmiger Brennstoffformkörper
51: zylindrischer Brennstoffformkörper
L: Länge
D: Durchmesser

Claims

Brennstoffformkörper (1; 21; 31; 41; 51) enthaltend einen agraren Abfallstoff; einen ersten Zusatzstoff zur Heizwerterhöhung und einen zweiten Zusatzstoff zur Verringerung von Schlackebildung.
Brennstoffformkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffformkörper in Form eines Presslings (1), insbesondere in Pellet- oder Brikettform (31; 51; 41) ausgebildet ist.
Brennstoffformkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Preßling im wesentlichen eine Kugel- (31), Zylinder- (51) oder Quadersymmetrie (41) aufweist.
Brennstoffformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der agrare Abfallstoff primäre Abfälle einer Getreideernte, insbesondere die Spelzen von Weizen, Roggen, Hafer, Gerste, Reis und/oder Hirse, umfasst.
Brennstoffformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zusatzstoff zur Brennwerterhöhung ein Restprodukt der Getreideverarbeitung, insbesondere Kleie von Weizen, Roggen, Hafer, Gerste, Reis und/oder Hirse umfasst.
Brennstoffformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zusatzstoff zur Verringerung von Schlackebildung Kalk umfasst.
Brennstoffformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil an agrarem Abfallstoff zwischen 20 und 90 %, bevorzugt zwischen 50 und 70 %, besonders bevorzugt zwischen 55 und 65 % beträgt.
Brennstoffformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil des ersten Zusatzstoffs zwischen 80 % und 10 %, bevorzugt zwischen 30 % und 50 %, besonders bevorzugt zwischen 35 % und 45-% beträgt.
Brennstoffformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil des zweiten Zusatzstoffs zwischen 0,5 % und 5 %, bevorzugt zwischen 1 % und 3 %, besonders bevorzugt zwischen 1,5 % und 2,5 % beträgt.
Brennstoffformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffformkörper (1) als Teilstück, insbesondere als Bruchstück, eines gepressten Stranges vorliegt, vorzugsweise mit rundem oder ovalem Querschnitt.
Brennstoffformkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der größte Durchmesser (D) des Stranges zwischen 1 und 15 mm liegt, vorzugsweise zwischen 2 und 6 mm, besonders bevorzugt zwischen 3 und 5 mm.
Brennstoffformkörper nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) des Brennstoffformkörpers in Richtung des Stranges zwischen 5 und 60 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 10 und 40 mm, besonders bevorzugt zwischen 20 und 30 mm.
Brennstoffformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffformkörper als Brikett ausgebildet ist, wobei seine größte Ausdehnung zwischen 10 und 150 mm liegt, vorzugsweise zwischen 30 und 50 mm, und wobei die kleinste Ausdehnung zwischen 2 und 50 mm liegt, vorzugsweise zwischen 10 und 20 mm
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffformkörpers, umfassend die folgenden Schritte: A) Mischen eines agraren Abfallstoffs, eines ersten Zusatzstoffs zur Erhöhung des Heizwertes und eines zweiten Zusatzstoffs zur Verminderung der Schlackebildung zu einem Stoffgemisch und B) Formen des Stoffgemisches zu einem Formkörper, insbesondere durch Strangpressen und Zerteilen oder Zerbrechen des gepressten Stranges.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der agrare Abfallstoff, der erste und/oder der zweite Zusatzstoff vor Schritt A) aufbereitet, insbesondere zerkleinert und/oder gemahlen werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zerkleinern und/oder Mahlen eine maximale Partikelgröße zwischen 1 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 4 mm, bei dem agaren Abfallstoff, dem ersten Zusatzstoff und/oder dem zweiten Zusatzstoff erreicht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder bei Schritt B) ein Behandlungsschritt zum Verkleben der Oberfläche des Formkörpers, vorzugsweise durch Wasserdampf, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserdampf einer Temperatur von zwischen 100 und 200°C auf das Stoffgemisch geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der Formkörper durch Strangpressen, insbesondere mit etwa rundem Querschnitt, gebildet wird, wobei der Strang in etwa waagerechter Richtung extrudiert wird und durch seine eigene Schwerkraft in Teilstücke zerbricht, die die Formkörper bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt A) die Einsatzstoffe in folgenden Gewichtsanteilen gemischt werden: a) agrarer Abfallstoff, insbesondere Getreidespelzen, mit einem Gewichtsanteil zwischen 20 und 90 %, bevorzugt zwischen 50 und 70 %, besonders bevorzugt zwischen 55 und 65 %; b) erster Zusatzstoff, insbesondere Getreidekleie, mit einem Gewichtsanteil zwischen 80 und 10 %, bevorzugt zwischen 30 und 50 %, besonders bevorzugt zwischen 35 und 45 % und c) zweiter Zusatzstoff, insbesondere Kalk, mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,5 und 5 %, bevorzugt zwischen 1 und 3 %, besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5 %.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Stoffgemisches zumindest an dessen Oberflächewährend mindestens eines der Verfahrensschritte, bevorzugt während des Schrittes B), mindestens 60°C, bevorzugt mindestens 80°C, besonders bevorzugt etwa 100°C beträgt.