DE102005005859B3

DE102005005859B3 - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Biomasse

Info

Publication number: DE102005005859B3
Application number: DE102005005859A
Authority: DE
Inventors: Peter Oehler; Wolfgang SCHWÖRER; Joachim Prof. Dr.-Ing. Jochum
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-02-10

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von feuchter Biomasse, insbesondere Gras, beschrieben. Gegenstand der Erfindung ist die kontinuierliche Trocknung und Pyrolyse von Biomasse, wobei als Endprodukt Koks entsteht. DOLLAR A Die Biomasse (1) wird mittels eines Metallgurtbandes (2) zunächst einer Trockenkammer (3) zugeführt, in dem ihr die Feuchtigkeit entzogen wird. Die erforderliche Wärme wird durch das Verbrennen von Pyrolysegas (8) und eines Brennstoffes (14) mit Luft (15) erzeugt. Der entstehende Wasserdampf (13) und die Verbrennungsgase (12) entweichen nach unten durch das Metallgurtband (2) in die Umgebung. Die getrocknete Biomasse gelangt danach in die Pyrolysekammer (4), wo sie durch Zufuhr von Wärme mittels mehrerer Brenner (5) unter Ausschluss von Luft entgast wird. Der dabei entstehende Koks (6) wird der Abkühlkammer (7) zugeführt, bevor er als Endprodukt die Anlage verlässt. Das bei der Pyrolyse entstehende Pyrolysegas (8) wird der Pyrolysekammer (4) nach unten entnommen und über einen Metallschlauch (9) der Brennkammer (10) zugeführt, die mit der Trockenkammer (3) in Verbindung steht. In der Brennkammer (10) erfolgt die Verbrennung des Pyrolysegases (8). Ein zusätzlicher Stützbrenner (11) unterstützt den Vorgang. Die bei der Verbrennung frei werdende Wärme dient der Trocknung der Biomasse.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Biomasse nach den Ansprüchen 1 und 8.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung lässt sich feuchte Biomasse, insbesondere Gras, in Koks umwandeln.

Zur thermischen Behandlung von Biomasse sind eine Reihe von Verfahren bekannt. Sie beziehen sich im wesentlichen auf die Erzeugung eines Pyrolysegases, das als Brennstoff zur weiteren Verwendung dient, zum Beispiel zur Erzeugung von Sekundärenergie mittels einer Motor-Generator-Einheit. Darüber hinaus verlangen diese Verfahren eine vorgeschaltete Trocknung und teilweise mechanische Vorbehandlung der Biomasse. Sie sind vom technischen Aufbau nur als stationäre Anlagen einsetzbar. In Druckschrift DE 197 55 693 C1 wird ein solches Verfahren beschrieben. Dieses Verfahren erzeugt Pyrolysegas, indem organische Stoffe in einem Schachtreaktor vergast werden, wobei die Wärmezufuhr durch die Restwärme des Pyrolysekoks zugeführt wird, der zuvor auf einem Wanderrost verbrannt wurde, um das Pyrolysegas zusammen mit Wasser zu erhitzen und somit ein Synthesegas mit hohem Heizwert zu erzielen.

Die Druckschrift DE 1 97 20 331 A1 bezieht sich auf einen reinen Festbettreaktor und stellt im wesentlichen eine Variante des aus der Literatur ( St. v. Szenasy, Der kleine „PETER", Band 12, Generatorbetrieb, Verlag Richard Carl Schmidt, Berlin 1944) bekannten Imbert-Holzgenerator dar.

Weiterhin sind kontinuierliche Verfahren bekannt, die dem Zweck dienen, Koks und Brenngase zu erzeugen.

Druckschrift EP 0 330 070 A1 beschreibt ein Niedertemperatur-Konvertierungsverfahren zur Gewinnung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen aus organischem Material, das in trockener Form vorliegen muss. Die Förderung der Feststoffe erfolgt dabei auf einem Transportband durch einen Innenofen, der von einem Außenofen beheizt wird. Die entstehenden Gase werden kondensiert, wobei die dabei anfallenden flüssigen, brennbaren Bestandteile und ein Teil der nicht kondensierten Gase als Brennstoff eingesetzt werden können und ein Teil der Gase zur Inertisierung in den Ofen zurückgeleitet wird.

In Druckschrif JP 08104880 AA werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, mit der sich Grasschnitt, der mit Sand vermischt ist, in einem Ofen thermisch behandeln läßt, um Koks zu erzeugen und den Sand zu sterilisieren. Der Transport des Einsatzstoffs durch den Ofen erfolgt dabei mit Hilfe einer Förderschnecke.

Das in der Druckschrift DE H 10534 beschrieben Verfahren bezieht sich auf die kontinuierliche Erzeugung von Koks aus Kohle, wobei der Transport des zur Feinkohle vorbehandelten Einsatzstoffs durch mehrere Zonen der thermischen Behandlung mittels eines nicht näher beschriebenen Förderbands erfolgt. Die Zufuhr der notwendigen Prozesswärme erfolgt elektrisch oder gasbetrieben unterhalb des Förderbandes und durch beheizte Walzen oberhalb des Bands. Die Entnahme der entstehenden Gase erfolgt fraktioniert, wobei die Einteilung in Temperaturzonen durch Walzen oberhalb des Förderbandes stattfindet. Die entstehenden Gase und Dämpfe werden über dem Förderband nach oben abgesaugt und kondensiert, um die dabei anfallenden flüssigen Kohlenwasserstoffe einer geeigneten Verwendung zuführen zu können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der vorgenannten Art zur Verfügung zu stellen, mit denen Biomasse, insbesondere Gras, mit geringem technischen und energetischen Aufwand und in Form einer mobilen Anlage effektiv in Koks umgewandelt wird, der als fester Brennstoff mit hoher Energiedichte zur Verfügung steht. Die Vorrichtung soll dabei einfach aufgebaut sein und das Verfahren mit möglichst wenig beweglichen Teilen realisieren.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 8.

Beim Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7 erfolgt die kontinuierliche Erzeugung von Koks aus feuchter Biomasse dergestalt, dass durch eine stetige Förderung alle erforderlichen Verfahrensschritte im Durchlaufverfahren unmittelbar hintereinander erfolgen. Zuerst wird die feuchte Biomasse einer Trocknung unterzogen dergestalt, dass sie mit den heißen Verbrennungsgasen eines Brenners in Kontakt gebracht wird. Daran schließt sich die Pyrolyse der trockenen Biomasse an, dergestalt, dass sie durch Strahlungswärme von Brennern und die Konvektionswärme der Verbrennungsgase erhitzt wird. Der dabei entstehende Koks wird kontinuierlich entnommen und einer Abkühlzone zugeführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Koks nicht mit Luft oder Sauerstoff in Kontakt kommen darf. Das bei der Pyrolyse entstehende Pyrolysegas wird der Pyrolysezone kontinuierlich entnommen und als Brennstoff zur Erzeugung der Trocknungswärme eingesetzt.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das bei der Pyrolyse entstehende Pyrolysegas durch Verbrennung dem Verfahren zur Trocknung der feuchten Biomasse zur Verfügung steht und damit der Einsatz externer Energieträger minimiert wird. Die kontinuierliche Betriebsweise ermöglicht es, das Pyrolysegas in heißem Zustand zu verbrennen, womit eine unerwünschte Kondensatbildung vermieden wird.

1 zeigt ein Grundfließbild des Verfährens nach Anspruch 1, in dem die Verfahrensabläufe und Stoffströme schematisch dargestellt sind. Der Einsatzstoff (1) wird der Trockenstufe (3) zugeführt. In diese werden weiterhin heiße Verbrennungsgase (12) aus der Brennkammer (10) geleitet, die durch den Einsatzstoff geleitet werden. Der mit diesen Gasen transportierte Wärmestrom erwärmt den Einsatzstoff (1) und führt zur Verdampfung des mit dem Einsatzstoff eingebrachten Wassers. Der entstehende Wasserdampf (13) und die abgekühlten Verbrennungsgase (12) verlassen die Trockenstufe und gelangen in die Umgebung. Der trockene Einsatzstoff verlässt die Trockenstufe (3) und wird der Pyrolysezone (4) zugeführt. In dieser Zone wird durch Zufuhr eines Brennstoffes (14) und Luft (15) eine hohe Temperatur erzeugt, die zur thermischen.
Zersetzung des trockenen Einsatzstoffes führt. Dabei entstehen Koks (6) und Pyrolysegas (8), die der Pyrolysezone (4) entnommen werden. Der Koks (6) gelangt in die Abkühlzone (7), wo er Wärme an die Umgebung abgibt und damit abkühlt. Anschließend verlässt der Koks (6) die Abkühlzone und damit den Prozess. Das in der Pyrolysezone (4) entstehende Pyrolysegas (8) gelangt in die Brennkammer (10), in die zusätzlich ein Brennstoff (14) und Luft (15) geleitet werden. In der Brennkammer (10) findet die vollständige Verbrennung des Pyrolysegases (8) und des Brennstoffs (14) statt. Die heißen Verbrennungsgase (12) und die daran gebundene Wärme werden der Trockenzone (3) zugeführt.
2 zeigt die Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 17. Auf einem rechteckigen Gestell (16) sind oben beidseitig horizontal je eine Wange (17) befestigt, zwischen deren Enden je eine Umlenkwalze (18) drehbar gelagert ist. Eine der Walzen (18) wird von einem am Gestell (16) befestigten Elektromotor (19) über eine Gliederkette (20) angetrieben. Der Elektromotor ist drehzahlregelbar. Um die Walzen ist ein Metallgurtband (2) gespannt, das kraft- oder formschlüssig von der angetriebenen Walze (18) bewegt wird. Das Band (2) sorgt für den kontinuierlichen Transport des Einsatzstoffes (1), der durch das Verfahren entstehenden festen Zwischenprodukte und des Kokses (6) als Endprodukt. Der Einsatzstoff wird an der Aufgabestelle (21) durch das Band (2) über die erste Rückschlagklappe (22) der Trockenkammer (3) zugeführt. Die Klappe hat die Aufgabe, den Austritt von Gasen an der Aufgabestelle (21) zu minimieren. Die Geschwindigkeit des Bandes (2) kann durch die Drehzahlsteuerung den Erfordernissen des Einsatzstoffes (1) angepasst werden. Direkt über der Trockenkammer (3) befindet sich die Brennkammer (10), die durch einen Schacht (23) mit der Trockenkammer (3) verbunden ist. In der Trockenkammer (3) wird die feuchte Biomasse durch die aus der Brennkammer (10) über den Schacht (23) von oben eintretenden Verbrennungsgase (12) erwärmt und dadurch getrocknet, wobei die Verbrennungsgase (12) den Einsatzstoff (1) durchströmen. Die abgekühlten Verbrennungsgase (12) und der entstehende Wasserdampf (13) verlassen die Trockenkammer (3) nach unten durch den oberen und unteren Trum des gasdurchlässigen Bands (2). Die getrocknete Biomasse (1) verlässt auf dem Band (2) die Trockenkammer (3), an die sich direkt die
Pyrolysekammer (4) anschließt und tritt in diese über eine zweite Rückschlagklappe (24) ein.
Diese Klappe hat die Aufgabe, eine Gasströmung zwischen Pyrolysekammer (4) und Trockenkammer (3) zu minimieren. Die Pyrolysekammer (4) wird nach unten durch eine Wanne (25) begrenzt, die sich zwischen dem oberen und unteren Trum des Bandes (2) befindet und in die das Pyrolysegas (8) strömt. Seitlich an der Wanne (25) befindet sich ein Rohrstutzen (26), durch den das in der Pyrolysekammer (4) entstehende Pyrolysegas (8) entweichen kann. Oben auf der Pyrolysekammer (4) befinden sich Brenner (5) für flüssige oder gasförmige Brennstoffe (14), die vorwiegend Strahlungswärme in die Pyrolysekammer (4) abgeben und damit für die thermische Zersetzung des Ausgangsstoffes sorgen, wobei Koks (6) und Pyrolysegas (8) entsteht. Die Brenner (5) werden durch Vormischung von Brennstoff (14) und Luft (15) so betrieben, dass eine stöchiometrische Verbrennung stattfindet. Dies ist erforderlich, um zu verhindern, dass freier Sauerstoff in der Pyrolysekammer (4) zur Entzündung des Einsatzstoffes (1) bzw. des Koks (6) führt. Die Brennerleistung kann den Erfordernissen des Einsatzstoffes (1) angepasst werden. Das entstehende Pyrolysegas (8) wird aus der Wanne (25) durch einen Metallschlauch (9) von Venturi-Düsen (27) abgesaugt, die in eine Ansaugkammer (28) integriert sind. Als Treibmittel der Venturi-Düsen (27) zur Erzeugung des erforderlichen Unterdrucks und damit zum Ansaugen des Pyrolysegases (8) aus der Pyrolysekammer (4) dient Druckluft (15), welche gleichzeitig als Verbrennungsluft für das Pyrolysegas in der Brennkammer (10) dient, oder Brenngas bei gasförmigem Brennstoff (14). In den Venturi-Düsen (27) erfolgt eine intensive Durchmischung von Luft (15) und Pyrolysegas (8), was für die anschließende Verbrennung erforderlich ist. Die Venturi-Düsen (27) münden seitlich in die Brennkammer (10). Der in der Pyrolysekammer (4) entstehende Koks (6) verlässt diese auf dem Band (2) und gelangt in die sich unmittelbar anschließende Abkühlkammer (7), in welcher der Koks Wärme an die Umgebung abgibt, was durch Wärmeleitung und Konvektion über die Kammerwände und das Band (2) erfolgt. Der Koks verlässt die Abkühlkammer (7) auf dem Band (2) durch eine dritte Rückschlagklappe (29) und fällt am Ende des Bandes (2) in einen geeigneten Behälter (30).
Diese Klappe hat die Aufgabe, zu verhindern, dass Umgebungsluft über die Abkühlkammer (7) in die Pyrolysekammer (4) gelangt. Das Gemisch aus Pyrolysegas (8) und Luft (15), das durch die Venturi-Düsen (27) in die Brennkammer (10) gelangt, wird dort mit Hilfe eines Stützbrenners (11) vollständig verbrannt. Die dabei entstehenden heißen Verbrennungsgase (12) strömen durch den Schacht (23) von oben in die Trockenkammer (3). Der Stützbrenner (11) kann mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff (14) betrieben werden, wobei eine Vormischung von Brennstoff (14) und Luft (15) so erfolgt, dass eine vollständige Verbrennung von Brennstoff (14) und Pyrolysegas (8) erfolgt.

1: Einsatzstoff Biomasse
2: Metallgurtband
3: Trockenkammer
4: Pyrolysekammer
5: Brenner
6: Koks
7: Abkühlkammer
8: Pyrolysegas
9: Metallschlauch
10: Brennkammer
11: Stützbrenner
12: Verbrennungsgase
13: Wasserdampf
14: Brennstoff
15: Luft/Druckluft
16: Gestell
17: Wange
18: Umlenkwalzen
19: Elektromotor
20: Gliederkette
21: Aufgabestelle
22: Erste Rückschlagklappe
23: Schacht
24: Zweite Rückschlagklappe
25: Wanne
26: Rohrstutzen
27: Venturi-Düsen
28: Ansaugkammer
29: Dritte Rückschlagklappe
30: Behälter

Claims

Verfahren zur thermischen Behandlung von Biomasse, bei dem 1.1. feuchte Biomasse, bevorzugt Gras, kontinuierlich in eine Trockenkammer eingebracht wird, in der durch Zufuhr von Wärme eine Trocknung stattfindet, wobei Wasserdampf entweicht: 1.2. die getrocknete und vorgewärmte Biomasse kontinuierlich in eine Pyrolysekammer geleitet wird, in der durch Zufuhr von Wärme eine Pyrolyse der Biomasse unter Luftabschluss stattfindet, wobei Koks und Pyrolysegas entsteht; 1.3. die Wärme zur Pyrolyse durch Verbrennung eines flüssigen oder eines gasförmigen Brennstoffs zugeführt wird; 1.4. der Pyrolysekoks kontinuierlich in eine Abkühlkammer geleitet wird, in welcher der Koks unter Luft- und Sauerstoffabschluss abkühlt 1.5. der abgekühlte Koks am Ende der Abkühlkammer den Prozess verlässt 1.6. das in der Pyrolysekammer entstehende Pyrolysegas dieser kontinuierlich entnommen wird und ohne Abkühlung direkt einer Brennkammer zugeleitet wird 1.7. das Pyrolysegas in der Brennkammer mit Unterstützung eines Brenners für flüssige oder gasförmige Brennstoffe vollständig verbrannt wird; 1.8. die Energie des Abgasstroms dieser Verbrennung zur Trocknung der feuchten Biomasse genutzt werden 1.9. eine Fördereinrichtung einen kontinuierlichen Transport von Biomasse, Koks und festen Zwischenprodukten erlaubt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerleistung der Brennkammer eine vollständige Trocknung der Biomasse erlaubt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerleistung der Pyrolysekammer eine vollständige Verkokung der trockenen Biomasse ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Pyrolysekammer eine luft- bzw. sauerstofffreie Atmosphäre herrscht.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Fördereinrichtung den Eigenschaften der Biomasse angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Pyrolysekammer entstehend Pyrolysegas durch Druckluft mittels Venturi-Effekts aus dieser abgesaugt wird und in die Brennkammer gefördert wird, wobei die Förderluft gleichzeitig als Verbrennungsluft für das Pyrolysegas dient.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrolysegas in der Brennkammer vollständig verbrennt und die freiwerdende Energie zur Trocknung der feuchten Biomasse genutzt wir, dergestalt, dass die Abgase die Biomasse durchströmen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7 mit einer Trockenkammer mit darüber liegenden Brennkammer, einer Pyrolysekammer, einer Abkühlkammer, Brennern für die Pyrolysekammer und die Brennkammer und einer Fördereinrichtung für die Feststoffe des Prozesses, dadurch gekennzeichnet, dass ein horizontal liegendes Metallgurtband zur Förderung der Biomasse, des Koks und der Zwischenprodukte durch zwei Umlenkrollen geführt wird, wobei eine davon von einem drehzahlregelbaren Elektromotor antreibbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich über dem ersten Abschnitt des Bandes eine Trockenkammer mit vorgelagerter Brennkammer befindet, wobei die Trockenkammer zur Umgebung offen ist und die Eintrittsöffnung für die Biomasse mit einer Rückschlagklappe versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Trockenkammer in Fließrichtung des zu behandelnden Gutes eine Pyrolysekammer anschließt, die unterhalb des oberen Trums des Bandes eine Wanne aufweist, und durch eine Rückschlagklappe von der Trockenkammer getrennt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Oberseite der Pyrolysekammer Brenner befinden, die mit flüssigem oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden können und die thermische Energie zur vollständigen Pyrolyse der Biomasse liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Pyrolysekammer in Fließrichtung des zu behandelnden Gutes eine Abkühlkammer anschließt, in welcher der Koks unter Ausschluss von Luft und Sauerstoff unter die Zündtemperatur abgekühlt wird, indem Wärme über die Kammerwände und das Band an die Umgebung abgegeben wird und eine Rückschlagklappe am Ende der Abkühlkammer den Eintritt von Luft verhindert.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Koks als Endprodukt des Verfahrens am Ende des Bandes von der Vorrichtung in einen geeigneten Behälter fällt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Pyrolysekammer entstehenden Pyrolysegase zwischen dem oberen und unteren Trum des Bandes der Pyrolysekammer nach unten in eine Wanne entnommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich an der Brennkammer Venturi-Düsen in diese münden, die mit Druckluft oder Brenngas bei gasförmigem Brennstoff als Treibmittel betrieben werden und durch den entstehenden Unterdruck das Pyrolysegas durch den Metallschlauch aus der Wanne ansaugen, wobei sich in den Düsen ein Gemisch aus Luft und Pyrolysegas bildet, das in die Brennkammer eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich oben auf der Brennkammer ein mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betriebener Brenner befindet, der die Zündung des Gemisches aus Pyrolysegas und Luft verursacht und für eine vollständige Verbrennung des Pyrolysegases und des zugeführten Brennstoffes sorgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsgase aus der Brennkammer in die sich darunter befindende Trockenkammer geleitet werden, die feuchte Biomasse durchströmen und durch die freigewordene Verbrennungswärme für eine vollständige Trocknung der feuchten Biomasse sorgt, wobei die Verbrennungsgase und der entstehende Wasserdampf die Trockenkammer nach unten durch das gasdurchlässige Metallgurtband verlassen und in die Umgebung abströmen.