DE102007015089A1 - Verfahren zur Trocknung feuchter Biomasse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trocknung feuchter Biomasse, insbesondere von fasrigen Pflanzenbestandteilen, in dem industrielle Abwärme zur Erwärmung der zu trocknenden Biomasse verwendet wird, wobei durch die Erwärmung der wässrige Anteil aus der Biomasse getrieben wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trocknung feuchter Biomasse, insbesondere von fasrigen Pflanzenbestandteilen, in dem industrielle Abwärme zur Erwärmung der zu trocknenden Biomasse verwendet wird, wobei durch die Erwärmung der wässrige Anteil aus der Biomasse getrieben wird.
• Im Vergleich zu vielen anderen Industrien benötigt die Zementindustrie zur Herstellung von Zement große Mengen Brennstoff. Um die Brennstoffkosten möglichst gering zu halten, werden daher preisgünstige Brennstoffe verwendet, wobei der Herstellungsprozess die Verwendung von niederwertigen Brennstoffen, das heißt im Allgemeinen schwer zu handhabende Brennstoffe erlaubt. Um den antropogenen CO₂-Eintrag in die Atmosphäre zu verringern und um staatlich angeordnete Regulierungskosten für CO₂-Eintrag in die Atmosphäre zu senken, wird daher bevorzugt auf Biomasse als Brennstoff zurückgegriffen, da die Biomasse das bei der Verbrennung freigesetzte CO₂ vorher der Atmosphäre entnommen hat. Allerdings eignen sich die biogenen Brennstoffe wie Biomasse nur bedingt zur direkten Verbrennung, da diese Brennstoffe vor Einsatz entsprechend aufbereitet werden müssen. Unter Biomasse wird im Kontext dieser Anmeldung jedwedes biogenes Material verstanden, aber insbesondere fasriges Pflanzenmaterial verstanden, aber auch ggf. Tiermehle oder andere biogene Stoffe. Handelt es sich bei den gewählten Brennstoffen um fasrige Biomasse, umfasst die Aufbereitung, die Zerkleinerung und Trocknung, die prinzipiell entweder langwierig oder energieinten siv ist, oder sie ist sehr aufwendig. Da die Biomasse aufgrund des hohen Wassergehaltes intensiv getrocknet werden muss, ist der Einsatz von Biomasse-Brennstoffen in der Zementindustrie derzeit nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich darstellbar.
• Trotz des intensiven Wärmeeinsatzes in der Zementindustrie ist die verfügbare Abwärme, die ggf. zur Trocknung der Biomasse verwendet werden könnte, nur in sehr geringem Maße vorhanden. Denn nahezu sämtliche Abwärme wird durch Rekuperation der im Zementklinkerherstellungsprozess verwendeten Gase wieder in den Prozess zurückgeführt, um die Energieintensität bei der Zementherstellung möglichst zu minimieren. Die meiste Energie wird dabei für den endothermen Prozess bei der Herstellung des Zementklinkers benötigt.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein wirtschaftliches Verfahren zur Trocknung von Biomasse zur Verfügung zu stellen, wobei die Besonderheiten der Zementindustrie berücksichtigt werden sollen.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung der Restwärme des Zementklinkers bei der Zementklinkerproduktion, die am Ende des Produktionsprozesses entnommen wird.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Da der Großteil der in der Zementindustrie eingesetzten Wärme in geschlossenen Kreisläufen verwendet wird, wobei nur eine geringe Wärmemenge im Vergleich zur eingesetzten Wärmemenge als freie Wärme zur Verfügung steht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Restwärme aus dem Zementklinker am Ende des Zementklinkerproduktionsprozess zu entnehmen. Dies bedeutet, dass der ungemahlene Zementklinker, der üblicherweise eine Korngröße von weni gen Millimetern bis wenigen Zentimetern aufweist, zur Trocknung der Biomasse eingesetzt wird. Hierzu eignen sich verschiedene Methoden, die Restwärme im Klinker zu entnehmen. Auf der einen Seite ist es möglich, die Restwärme durch durchströmende Luft dem Klinker zu entnehmen, wobei die durch den Klinker aufgewärmte Luft zur Trocknung der Biomasse eingesetzt wird. Daneben ist es aber auch möglich, den Klinker direkt mit der zu trocknenden Biomasse, die ggf. vorher aufbereitet wird, zu vermischen und so die Wärme durch Direktkontakt in die Biomasse einzuleiten, wobei die Wärme die Feuchtigkeit aus der Biomasse treibt.
• Obwohl der Zementklinker zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels verwendet wird, ist der aus dem Drehrohrofen entstandene Zementklinker für die vorgeschlagene Verwendung genügend unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Dies hat seine Ursache darin, dass der Zementklinker selber auf der Oberfläche eine verglaste Struktur aufweist und dass die Oberfläche des aus dem Drehrohrofen stammenden Zementklinkers sehr gering ist. Somit kommt es trotz Vorliegens eines gewissen Wasserdampfpartialdruckes nicht zu einem vorzeitigen Abbinden, denn zur Weiterverarbeitung des Klinkers zu abbindefähigem Zement muß dieser fein zermahlen werden.
• Vorteilhaft an der Verwendung des Zementklinkers als Wärmequelle zur Trocknung von Biomasse ist, dass der Zementklinker am Ende der Zementklinkerproduktion eine Restwärme zwischen 80°C und 300°C aufweist. Dieses Temperaturfenster ist in der Regel für eine Wärmerückgewinnung aufgrund eines nur kleinen Temperaturgradianten uninteressant. Aus diesem Grund wird die Wärme in dem unattraktiven Temperaturfenster von 80°C bis 300°C üblicherweise in die freie Atmosphäre verworfen.
• Aber dieses Temperaturfenster ist zur Trocknung von Biomasse attraktiv, da bei diesen Temperaturen nicht zu erwarten ist, dass ggf. vollkommen durchgetrocknete Biomasse sich selbst entzündet.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die zunächst noch feuchte Biomasse gehexelt und wahlweise zu wenige Zentimeter langen Halmen, zu feinem Stroh bis zu feinen Partikeln von wenigen Millimetern Durchmesser zerkleinert. Die ideale Größe sollte nicht zu groß sein, damit eine anschließende Trennung von Biomasse und Klinker durch einen Sichter möglich ist, wobei die fasrigen Bestandteile der Biomasse nicht zur Verfilzung neigen sollten, damit diese keine Klinker einfassen und auf der anderen Seite sollte die zerkleinerte Biomasse keine zu kleine Partikelgröße haben, damit die Biomasse noch leicht handhabbar bleibt.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Feststoffbett-Wärmetauscher verwendet. In einem Feststoffbett-Wärmetauscher wird der granulare Zementklinker in Form von Granalien direkt mit dem vorbereiteten Biomaterial in Kontakt gebracht und erforderlichenfalls vermischt und agitiert. Dies kann durch Schütteln, durch Drehen in einem Drehrohr oder auf andere Weise geschehen. Hierbei wird die Wärme aus den Zementklinkergranalien auf die Biomasse übertragen und die Biomasse trocknet dabei aus. Am Ende des Wärmetauschers wird die Biomasse von dem Zementklinker getrennt und die Biomasse kann anschließend in den Prozess der Zementherstellung eingeführt werden.
• Um die Effizienz der Trocknung der Biomasse zu erhöhen, kann in den Wärmetauscher Luft eingeführt werden, um die bei der Trocknung entstehenden Brüden aufzunehmen und aus dem Wärmetauscher zu entfernen.
• Um den Prozess der Biomassetrocknung kontinuierlich zu gestalten, ist es vorteilhaft, wenn der Zementklinker zur Trocknung der Biomasse zunächst gesiebt wird, damit eine Fraktion von größeren Zementklinkergranalien zur Trocknung der Biomasse verwendet wird. Dies hat zum Vorteil, dass der Zementklinker nach der Trocknung leichter von der Biomasse getrennt werden kann. Parallel zum Sieben des Zementklinkers ist es möglich, die Biomasse vor der Zufuhr in den Wärmetauscher zu zerkleinern, so dass die Biomasse eine geeignete Partikelgröße hat, die auf der einen Seite nicht zu groß ist, damit sie nicht zur Verfilzung neigt und auf der anderen Seite nicht zu klein ist, damit diese noch leicht handhabbar ist. Im Anschluss an das Sieben des Zementklinkers und das Zerkleinern der Biomasse werden die Biomasse und der Zementklinker in einen Wärmetauscher geleitet, wo der Zementklinker in direkter Berührung mit der Biomasse steht. Hier wird durch direkte Übertragung der Wärme aus dem Zementklinker auf die Biomasse die Feuchtigkeit aus der Biomasse getrieben. Hierzu wird vorzugsweise Trocknungsluft in den Wärmetauscher eingeleitet, wobei die Trocknungsluft, die Biomasse und der Zementklinker miteinander vermischt werden. Die Trocknungsluft nimmt dabei die bei der Trocknung entstehenden Brüden auf und entfernt diese aus dem Wärmetauscher. Nach vollzogener Trocknung ggf. unter Agitation des Gemisches aus Zementklinker, Trocknungsluft und Biomasse wird der Zementklinker von der Biomasse einerseits und die Trocknungsluft von der Biomasse andererseits getrennt. Dies kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung in einem Abscheider geschehen, wobei die unterschiedliche Dichte des Zementklinkers und der getrockneten Biomasse ausgenutzt wird.
• In dem Abscheider wird unter Verwendung der Trocknungsluft als pneumatisches Transportmittel die getrocknete Biomasse aus dem Zementklinker regelrecht herausgeblasen, wobei der dichtere Zementklinker nach unten in dem Abscheider herausfällt und auf diese Weise wird der Zementklinker, der bevorzugt aus der größeren Fraktion der Zementklinkergranalien besteht, von der Biomasse entfernt, wobei die Biomasse in der Trocknungsluft aufgenommen ist. Um die getrocknete Biomasse von der Trocknungsluft zu befreien, wird wahlweise ein Nachsichter eingesetzt, wobei hier in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ein Abscheider verwendet werden kann, der die getrocknete Biomasse einerseits und die Trocknungsluft andererseits voneinander trennt.
• In einem weiteren Prozessschritt wird der Klinker aus dem Konverter, der mit der Trocknungsluft ausgetragen wird, vorzugsweise unter Verwendung eines Querstromsichters, von der ihm anhalftenden Biomasse getrennt.
• Nachdem die getrocknete Biomasse aus dem Trocknungsprozess einerseits erhalten wurde und der Zementklinker andererseits erhalten wurde, ist es möglich, die beim Trocknen entstehenden Brüden in einem Kondensator zu verflüssigen, wobei die Luft, in denen die Brüden aufgenommen sind, ebenfalls von der Kondensation von Biomasse getrennt wird.
• Nach Trocknung der Biomasse steht diese für die Zementklinkerproduktion zur Verfügung und kann in bekannter Weise beispielsweise in den Calcinator an entsprechender Stelle eingeblasen werden, wo die Biomasse verbrennt und zur Calcinierung des Kalksteines beiträgt.
• Die Erfindung wird anhand des folgenden Verfahrens-Schemas verdeutlicht.
• Es zeigt:
• 1: ein Prozessschaubild der erfindungsgemäßen Biomasse-Trocknung.
• In 1 ist ein Schema der erfindungsgemäßen Biomasse-Trocknung dargestellt. In diesem Verfahren fließen der aus dem Produktionsprozess entstammende kalte Klinker (e), feuchte Biomasse (r), und Trocknungsluft (i) in einen Konverter (4), um dort die feuchte Biomasse (r) erfindungsgemäß zu trocknen. Hierzu wird der aus dem Klinkerkühler (1) herausgeführte kalte Klinker (e), der immerhin noch eine Restwärme mit einer Temperatur von 80°C bis 300°C aufweist, auf ein Sieb (2) geleitet, um dort eine feinkörnige (f) und eine grobkörnige Fraktion (g) der Zementklinkergranalien voneinander zu trennen. Der Klinkerkühler (1) funktioniert auf bekannte Weise, in welchem Kühlluft (c) in den Klinkerkühler (1) geleitet wird, wobei die rekuperierte Luft (a) in den Zementklinkerherstellungsprozess zurückgeleitet wird. Nach Trennung der Zementklinkerfraktionen durch das Sieb (2) wird die feine Fraktion (f) des Zementklinkers zur weiteren Verarbeitung entnommen und die grobe Fraktion (g) des Zementklinkers wird in einen Konverter (4) geleitet. Parallel zur Aufarbeitung des kalten Klinkers (e) aus dem Klinkerkühler (1) durch das Sieb (2) wird feuchte Biomasse (r) in eine Mühle (3) geleitet, wo die feuchte Biomasse (r) gemahlen oder gehexelt wird. Nachdem die feuchte Biomasse (r) in der Mühle (3) gehexelt oder gemahlen worden ist, tritt sie als feine Biomasse (h) aus der Mühle (3) heraus und wird ebenfalls in den Konverter (4) geleitet, in welchen auch Trocknungsluft (i) geleitet wird. In dem Konverter (4) wird die grobe Fraktion (g) des Klinkers aus dem Sieb (2) in direktem Kontakt mit der feinen Biomasse (h) vermengt und gegebenenfalls agitiert. Aus dem Konverter (4) kommend wird die mit der Trocknungsluft (i) pneumatisch ausgetragene Biomasse aus dem Gemisch aus Biomasse und Luft (j) zunächst in einem Abscheider (5) abgeschieden. Der unter Schwerkrafteinfluß aus dem Konverter (4) ausgetragenen Klinker (l) sowie die ebenfalls auf diesem Weg austretende grobe Biomasse (k) werden in einen Separator (6) geleitet, in den ebenfalls die Abluft (m) aus dem Abscheider (5) eingeleitet wird. Im Separator (6) dient sie als Sichtluft um den Klinker (n) von der Biomasse abzutrennen. Während der von der Biomasse befreite Klinker (n) den Sichter nach unten hin verlässt, wird die Biomasse mit der Sichtluft (o) zusammen pneumatisch aus dem Sichter ausgetragen. In einem nachgeschalten Abscheider (7) wird die Biomasse von der Luft abgeschieden, so dass schlussendlich die Biomasse in den Produktströmen (s) und (q) vorliegt.
• Die aus dem Abscheider (7) stammende Luft (p), welche die Brüden aus der Trocknung trägt, kann wahlweise einer Kondensation unterzogen werden, um die Feuchtigkeit der Biomasse aus der Luft zu entnehmen.
• Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Restwärme der aus dem Zementklinkerproduktionsprozess stammenden Wärme für die Trocknung der Biomasse zu verwenden. Hierbei kann wahlweise und nach Notwendigkeit der Zementklinker vor Vereinigung mit der Biomasse gesiebt werden, um nur grobe Partikel zur Trocknung zu verwenden. Dies hat zwar den Nachteil, das weniger Wärme aus dem Klinker verwendet wird, da mit der feinen Fraktion (f) des Zementklinkers Wärme für die Trocknung der feuchten Biomasse (r) nicht zur Verfügung steht, jedoch kann sich dadurch die Handhabung erheblich verbessern. Daneben ist es je nach Zustand der zur Verfügung stehenden Biomasse möglich, die Biomasse zunächst zu zerhexeln oder zermahlen. Sofern es sich bei der Biomasse beispielsweise um feuchte Holzstäube oder andere Stäube handelt, die keiner Mahlung unterzogen werden müssen, kann auf die Zerkleinerung in der Mühle (3) verzichtet werden. Ebenfalls ist es möglich, auf die Kondensation der Brüden in der aus dem Trocknungsprozess entstammenden Luft (p) zu verzichten, wobei hier auf die besonderen physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Biomasse geachtet werden kann.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird zur Trocknung der Biomasse im Konverter die Kühlerabluft (d) vollständig oder teilweise zudosiert. Beispielsweise ist es möglich, die Kühlerabluft (d) als Trocknungsluft (i) zu verwenden, wobei hierdurch mehr Wärme für die Trocknung zur Verfügung steht. Diese Verwendung der Kühlerabluft (d) kann auch nach evtl. Wärmeauskopplung geschehen um den Luftkreislauf zu schließen. Daneben ist es auch möglich, rein auf die Kühlerabluft (d) zurückgreifen und die Klinkerwärme, die direkt in den Zementklinkergranalien vorliegt, zu verwerfen.
• Bei der Verwendung der Kühlerabluft (d) als Trocknungsluft (i) für den Trocknungsprozess hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Kühlerabluft (d) zunächst zu entstauben. Die Entstaubung kann in vorteilhafter Weise durch eine Kombination von Sichter und Zyklon oder Filter vorgenommen werden. Hierdurch wird verhindert, dass fertiger Zementklinkerstaub in den Prozess zurückgeführt wird, wodurch eine energetisch günstigere Prozessführung möglich ist.
• Die in diesem Verfahren erhaltene, trockene Biomasse kann als preiswerter Brennstoff, bevorzugt in der Calcinationszone verwendet werden.

1

Klinkerkühler

2

Sieb

3

Mühle

4

Konverter

5

Abscheider

6

Separator

7

Abscheider

a

rekuperierte Luft

b

Heißer Klinker

c

Kühlluft

d

Kühlerabluft

e

Klinker

f

Klinker, feine Fraktion

g

Klinker, grobe Fraktion

h

feine Biomasse

i

Trocknungsluft

j

Biomasse und Luft

k

grobe Biomasse

l

Klinker

m

Abluft

n

Klinker

o

Sichtluft und Biomasse

p

Luft

q

Produktstrom

r

feuchte Biomasse

s

Produktstrom

Claims (10)

1. Verfahren zur Trocknung feuchter Biomasse, insbesondere von fasrigen Pflanzenbestandteilen, in dem industrielle Abwärme zur Erwärmung der zu trocknenden Biomasse verwendet wird, wobei durch die Erwärmung der wässrige Anteil aus der Biomasse getrieben wird, gekennzeichnet durch die Verwendung der Restwärme der Zementklinkerproduktion, die am Ende des Produktionsprozesses entnommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung der Wärme des produzierten Klinkers, bevorzugt in direktem Kontakt mit der zu trocknenden Biomasse.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Feststoffbett-Wärmetauschers.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Vermischung des noch warmen Zementklinkers mit der zu trocknenden Biomasse, wobei die Biomasse in direktem Kontakt mit dem Zementklinker steht und anschließender Trennung des Zementklinker/Biomasse-Gemisches.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine mechanische Zerkleinerung der Biomasse vor der Vermischung mit dem noch warmen Zementklinker.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5 aufweisend folgende Verfahrensschritte: a) wahlweises Sieben des Zementklinkers (e) zur Auswahl genügend großer Zementklinkerpartikel in einem Sieb (2), b) wahlweises Zerkleinern der Biomasse (r) zu einer Biomasse (h) mit einer geeigneten Partikelgröße, c) Trocknen der Biomasse (r, h) durch Übertragung der Wärme aus dem Zementklinker (e, g) auf die Biomasse (r, h), vorzugsweise durch Einleiten von Trocknungsluft (i) in einen Konverter (4), in dem Biomasse (r, h), Zementklinkerpartikel (e, g) und Trocknungsluft (i) in Kontakt geraten, wobei die Trocknungsluft (i) und die Biomasse (r, h) durch die Zementklinkerpartikel (e, g) erwärmt werden, d) Trennen des Anteils der Biomasse (j), die durch die Trocknungsluft (i) pneumatisch ausgetragen wird von eben der Trocknungsluft, bevorzugt durch Verwendung eines Abscheiders (5), e) Abtrennen des Klinkers (l) aus dem Klinker/Biomasse-Gemisch, welches aus dem Konverter (4) ohne Trocknungsluft ausgetragen wird, vorzugsweise durch Verwendung eines Querstromsichters. f) Abtrennung der Biomasse aus der im Schritt e) erhaltenen Biomasse/Luft-Mischung und anschließende wahlweise Verflüssigung der beim Trocknen entstehenden Brüden in einem Kondensator.
7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung der Klinkerkühlerabluft als Trocknungsluft (i).
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Entstaubung der Klinkerkühlerabluft durch die Verwendung einer Kombination aus Sichter und Zyklon oder Filter.
9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Wärmeauskupplung aus der Kühlerabluft, bevor diese als Trocknungsluft verwendet wird.
10. Verwendung der nach Verfahren 1 bis 9 erhaltenen Biomasse zur Verbrennung in einem Calcinator zur Calcinierung von Kalkstein.