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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die Herstellung von Brennstoffpellets, einen
dazu geeigneten Extruder und eine geeignete Zusammensetzung.
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Stand der Technik
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Zur
umweltschonenden Energieerzeugung werden brennbare Energiepflanzen
und Abfallprodukte verwendet, die vorzugsweise CO2-neutral
sind, beispielsweise schnell wachsende Bäume, Abfallprodukte
der Landwirtschaft oder der Forstwirtschaft. Die Ausgangsprodukte
werden, falls notwendig, zerkleinert und zur besseren Handhabung
in Pelletform gebracht.
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Gemäß einer
bekannten Vorgehensweise werden Mühlen zur Verarbeitung
verwendet. Das entstehende Produkt hat jedoch eine geringe Dichte und
Festigkeit, weshalb ein Pressschritt erforderlich ist. Ferner ist
es bei dieser Vorgehensweise notwendig, den Ausgangsstoff und/oder
das Produkt zu Trocknen, wenn nicht bereits Vorgetrocknete Ausgangsstoffe
verwendet werden.
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Die
Veröffentlichung "Erfahrungen mit Mischpellets
und FuE-Bedarf aus der Sicht der (Anlagen-)Hersteller", Vortrag
von Dr. Stephan Sternowsky, Fachveranstaltung "Mischpellet- und
Alternativbrennstoffe für Kleinfeuerungsanlagen(KFA)-Potentiale
und Handlungsbedarf", der FNR am 1. März 2007 in Gülzow,
BRD, beschreibt die Verarbeitung von Holzspäne
mittels einer Flachmatrizenpresse.
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Die
Druckschrift
DE 19918815 beschreibt
ein Extrudierverfahren zur Herstellung von Pellets, wobei als Bindematerial
Flüssigkeiten wie Melasse, Öle und Harze verwendet
werden. In der Patentschrift
US 3,947,255 ist
ein Extrudierverfahren beschrieben, das petrochemisch erzeugtes
Polyethylen als thermoplastische Bindematerial verwendet. In
WO 00/18572 ist eine Extrudervorrichtung
mit einer Ausgabematrize beschrieben, bei der das Volumen von Bohrungen
der Ausgabematrize dem Feuchtigkeitsgehalt der Bio-Extrudiermasse
angepasst ist. Die Anmeldung US 2004/0200138 beschreibt ein Verfahren zur
Wiederverwertung von saugfähigen Hygieneprodukten, die
neben Zellulose synthetisches thermoplastisches Harz umfassen. Die
Anmeldung US 2006/0082026 betrifft das Extrudieren von Biomasse ohne
den Zusatz von Bindemitteln.
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Während
ein Teil dieser Druckschriften (
DE 19918815 und
US 3,947,255 ) explizit die
Verwendung trockener Ausgangsmaterialien vorsieht, erwähnen
US 2006/0082026 und
WO 00/18572 feuchte Ausgangsstoffe.
In
US 2006/0082026 muss
daher das aus dem Extruder kommende Granulat mittels einer Walze
nachträglich in Gussformen eingepresst werden, da mit der
Extrudiermasse der Wasseranteil entweicht und aufgrund der entstehenden
Strömung kein fester durchgängiger Massestrang
erzielt werden kann. In
WO 00/18572 muss
die Ausgabematrix des Extruders an die Feuchtigkeit des Ausgangsmaterials
angepasst werden. Beide Vorgehensweisen sind daher aufwändig.
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Gemäß dem
Stand der Technik sind daher entweder trockene Ausgangsstoffe zu
verwenden, oder es werden zusätzlich aufwändige
Trocknungsverfahren vorgesehen. Dies trifft auf für Verarbeitungstechniken
mittels Mühlen und mittels Matrizenpressen zu.
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Ferner
sind die im Stand der Technik eingesetzten Bindemittel (Melasse, Öl,
Harz, aus Holz gelöste Bindungsstoffe wie Lignin) zum einen
nicht geeignet, eine ausreichende Bindung vorzusehen, wodurch sich
instabile Brennkörper ergeben. Zum anderen werden rohstoffintensive
da eigens für diesen Zweck hergestellte Materialien aus
der Petrochemie verwendet. Diese Materialien sind ferner nicht CO2-neutral. Die Vorgehensweisen des Stands
der Technik sind somit entweder auf trockenen Ausgangsstoffe beschränkt,
schlecht handhabbar oder nicht umweltverträglich.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Vorgehensweise aufzuzeigen,
die die oben genannten Nachteile überwindet.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
genannte Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch
1, durch die Stoffzubereitung des Anspruchs 9 und durch die Extrudervorrichtung
nach Anspruch 10.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Konzept liegt darin, einen Ausgangsstoff
mit brennbaren Anteilen bzw. ein Stoffgemisch mit brennbaren Anteilen,
vorzugsweise mit einer Bindemittelkomponente und einer Rohstoffkomponente,
zu Extrudieren und während des Extrudierens das sich ergebende
Gemisch, d. h. die Extrudiermasse, zu trocknen. Zum einen erlaubt
die Trocknung während des Extrudierens einen effizienteren
und wirkungsvolleren Einsatz des Bindemittels sowie im allgemeinen
eine bessere Compoundierung des Ausgangsstoffs, insbesondere zwischen
der Trocknung bzw. Entfeuchtung und der Ausgabe des Extrudiermaterials.
Da während der Ausgabe des Extrudiermaterials im wesentlichen
keine Feuchtigkeit mehr austritt, wird die Erzeugung des Endlosstrangs
aus dem Extrudiermaterials nicht mehr durch Dampfströmungen
gestört, wodurch die Festigkeit erhöht wird. Zum
anderen kann durch die Trocknung der Extrudiermasse während
des Extrudierens Material mit einem Feuchtigkeitsanteil von 60 Gew.-%
verwendet werden, d. h. die Rohstoffkomponente kann ein beliebiges,
beispielsweise noch erntefrisches Bioprodukt sein wie gehäckselte
Bäume, Gräser, Getreide, Stroh oder Abfallprodukte
wie Holzspäne, Schlempe, Rapskuchen, Getreideabfälle, Melasse
usw. Aufgrund des hohen zulässigen Feuchtigkeitsgrads kann
nahezu das vollständige Spektrum an Biomasse verwendet
werden, das sich zur Brennpelletherstellung eignet. Es ist keine
vorheriger Trocknungsprozess notwendig. Vielmehr wird während
des Extrudierens das Material zerkleinert, zusammengepresst, compoundiert,
und gleichzeitig in einem Schritt getrocknet sowie insbesondere
auch schon geformt, bevor es aus dem Extruder ausgegeben wird. Die
Trocknung vor der Ausgabe verhindert, dass Wasserdampf oder Wasser
bei der Ausgabe der Extrudiermasse diese durch Druckausgleich unter starker
Porenbildung ausdehnt oder Wasser in die ausgegebene Masse (Endlosstrang/Pellets)
eingebracht wird. Die Trocknung wird ausgeführt, in dem das
Extrudiermaterial erhitzt und/oder durch das Extrudieren homogenisiert
sowie gepresst wird und die entstehende Flüssigkeit (bsp.
Wasser) bzw. das entstehende Gas (bsp. Wasserdampf) durch den Extruderzylinder,
der den Innenraum des Extruders und somit die Extrudiermasse umgibt,
hindurch abgegeben wird. Die Wand des Extruderzylinder weist hierzu Öffnungen
oder direkte oder indirekte Fluidverbindungen auf, die die Flüssigkeit
von der Extrudiermasse trennen und abführen. Gleichzeitig
ist der Extruderzylinder so ausgestaltet, dass die verbleibende Extrudiermasse
im Extruder, d. h. im Gang des Extruders verbleibt. Die Wand des
Extruders dient somit der Führung der Extrudiermasse, der
körperlichen Abtrennung von Flüssigkeit oder Gas
aus der Extrudiermasse und der Führung von Flüssigkeit
und Gas aus dem Innenraum des Extruders hinaus.
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Wird
die Extrudiermasse beispielsweise auf 170°C, 180°C,
190°C oder 200°C erhöht, reicht bereits
ein Druckgefälle von 10–20 bar und insbesondere
von 18–20 bar aus, um das Wasser zur Entfeuchtung spontan
verdampfen zu lassen. Die Temperatursteuerung stellt daher einen
wesentlichen Anteil der Entwässerung dar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ferner die
Anpassung an die Ausgangsstoffe, in dem mittels Änderung,
Steuerung oder Regelung der Betriebsparameter oder der baulichen
Merkmale des Extruders der Betrieb des Extruders und die Verarbeitung
der Ausgangsstoffe, insbesondere die Entfeuchtung und Compundierung,
optimiert wird. Zu den Betriebsparametern zählen insbesondere
bauliche Merkmale des Extruders wie die Schneckenkonfiguration,
der geometrischen Eigenschaften des Verfahrensteils, Lage und Erstreckung
von Entgasungsöffnungen und Heizelementen, die Düsengeometrie, die
geometrischen Eigenschaften der Zerkleinerungselemente bzw. der
Granulierungselemente. Ferner werden vorzugsweise die Zugabe und
Dosierung der verschiedenen Komponenten an die Betriebsparameter
angepasst oder umgekehrt. Zudem lassen sich durch Steuerung und
Regelung die Betriebsparameter des Extruders selbst optimieren,
d. h. die Entgasungsbedingungen, Schneckendrehzahl, Temperaturprofil,
Drücke, Verweilzeit der Extrusionsmasse im Extruder usw.
Dadurch lassen sich ohne bauliche Änderung und nur durch
Ansteuerung der Elemente Betriebsparameter der jeweiligen gewünschten
Zusammensetzung der Brennstoffpellets anpassen. Zudem können
so Eigenschaften der Ausgangskomponenten, bsp. Verflüssigungs-
bzw. Schmelztemperatur des Bindemittels (bsp. Thermoplast, ein Biopolymer
o. ä.), Rieselfähigkeit und Wassergehalt des Ausgangs-Bioproduktes,
Fließverhalten der Extrudiermasse berücksichtigt
werden. Somit ist durch gezielte Steuerung der Betriebsparameter bei
gegebenen baulichen Merkmalen des Extruders ein breites Spektrum
an Ausgangsmaterialien möglich. Gleichzeitig lassen sich
durch gezielte Steuerung die Eigenschaften der erzeugten Biopellets
trotz variierender Ausgangsmaterialien genau vorausbestimmen.
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Neben
den Betriebsparameter wird jedoch auch die Hardware (d. h. Position,
Menge der Entgasungen, Schneckengeometrie, Düsengeometrie
...) dem Prozess und/oder den Eingangsstoffen angepasst. Die Anpassung
wird insbesondere durch modular aufgebaute Extruder erreicht.
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Der
Anteil an Bindemittel, das während des Extrudierens mit
dem brennbaren Rohstoff ein Compound gebildet hat, schützt
den brennbaren Rohstoff vor erneuter Wasseraufnahme wie sie bei
der Lagerung eintritt, indem das Bindemittel eine wasserundurchlässige
Schicht um den Rohstoff bildet. Daher eignen sich als Ausgangsstoff
für die erfindungsgemäßen Biopellets
alle biologischen Rohstoffe bzw. hygroskopische Rohstoffe, ohne
eine Wasseraufnahme bei der Lagerung und somit ein schlechtes Brennverhalten
in Kauf nehmen zu müssen. Ferner weisen die erfindungsgemäßen
Pellets eine deutlich erhöhte Abriebfestigkeit gegenüber konventionell
hergestellten Pellets auf, wodurch das Handling bei Lagerung, Transport
und Dosierung verbessert wird. Die Pellets können deutlich
kleiner ausgeführt werden, ohne dass es zu signifikanten
Mengen an Abrieb kommt. Dadurch wird eine höhere Schüttdichte,
eine höhere Energiedichte des Schüttguts, ein
wirtschaftlicherer Transport und ein geringerer Raumbedarf bei der
Lagerung erreicht. Ferner erhöht das thermoplastische Bindemittel
den Heizwert deutlich. Das thermoplastische Bindemittel erzeugt einen
dichten Luftabschluss der Rohstoffkomponente, wodurch die Haltbarkeit
erhöht wird und der Einfluss von Luftfeuchte auf den Brennwert
der Pellets verringert wird. Außerdem weisen die erfindungsgemäßen
Pellets geringere Emissionswerte, insbesondere im Hinblick auf Staub
und Stickstoffoxyde auf. Vorteilhaft ist auch eine Einarbeitung
von Additiven wie z. B. Geruchsaromen oder Talkum, Kalk, CaO, MgO
u. ä. zur Erhöhung der Ascheerweichungstemperatur.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Pellets
ist das breite Rohstoffspektrum, welches neben Holz auch die Nutzung
halmgutartiger Energiepflanzen und einer Vielzahl an organischen
Abfallprodukten erlaubt. Unter optimierten Prozessparameter kommt
es zudem bei der erfindungsgemäßen Herstellung
zusätzlich zu einer weiteren Zerkleinerung und Zerfaserung
der Rohstoffe, wodurch insbesondere die resultierende Pelletfestigkeit,
das Abriebverhalten und das Verbrennungsverhalten positiv beeinflusst
werden. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
ist energetisch effizienter und erlaubt höhere Durchsätze
als konventionelle Verfahren.
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Die
Konsistenz der aus dem Extruder tretenden Extrudiermasse ist homogen
und dicht, da die als Endlosstrang austretende Extrudiermasse trocken
ist und keine Verformungen oder Verpuffungen durch austretenden
Dampf oder austretendes Wasser auftreten. Dies wird erfindungsgemäß erreicht,
indem schon während des Extrudierens das Wasser fast vollständig
entzogen wird, auch bei sehr feuchtem Rohstoff bzw. Bindemittel.
Das Wasser wird (flüssig, gasförmig oder als Nebel
bzw. Dampf) vor dem Austritt der Extrudiermasse aus dem Extruder
abgeführt und tritt nicht aus der Ausgabeöffnung
(bsp. eine Matrix) für die Extrudiermasse aus. Die Wasserabgabe ist
getrennt von der Ausgabeöffnung für die Extrudiermasse
vorgesehen, beispielsweise durch Kanäle, Poren, Perforationslöcher
und insbesondere entsprechende Entgasungsöffnungen oder
andere Fluidverbindungen, die zwischen dem Inneren des Extruders
und der Umgebung bestehen.
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Derartige
Fluidverbindungen sind in indirekter oder vorzugsweise in direkter
Verbindung mit dem Raum innerhalb des Extruders verbunden, der von der
Innenwand des Extruders, einem Einzugsbereich des Extruders und
der Ausgabe des Extruders definiert wird, durch die die Extrudiermasse
ausgegeben wird. Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, das Wasser
und insbesondere den Dampf getrennt von der Extrudiermasse auszugeben,
um so Beeinträchtigungen durch Dampfströmungen,
Wasserströmungen, Volumenzunahmen, Kondensationseffekte
und Wassereinlagerungen in die ausgegebene Extrudiermasse zu vermindern
bzw. auszuschalten. Gleichzeitig kann feuchtes Ausgangsmaterial
verwendet werden, ohne das Extrudierprodukt zu beeinträchtigen. Es
können insbesondere für sehr unterschiedliche Feuchtigkeitsgrade
die gleiche Extrudervorrichtung verwendet werden, ohne Modifikationen
am Auslass bzw. an einer Matrix. Vorzugsweise werden die Fluidverbindungen
mit steuerbaren Ventilen oder steuerbaren Drosseln vorgesehen, mit
denen der Dampfaustritt bzw. Wasseraustritt beschränkt
werden kann. Vorzugsweise wird die Entwässerung durch geometrische
Eigenschaften der Schnecken, Zylinder und Entgasungsöffnung
bestimmt, wobei ein anliegendes Druckgefälle bzw. anliegendes
Saugvakuum bzw. die Temperatur der Extrudiermasse hinsichtlich der
gewünschten/erforderlichen Entwässerungsstärke
eingestellt werden kann.
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Ferner
können die Fluidverbindungen mit Rückhaltevorrichtungen
kombiniert werden, wobei durch die Fluidverbindungen der Dampf und/oder das
Wasser zwar austreten kann, und gleichzeitig die Rückhaltevorrichtungen
die Extrudiermasse in dem Extruder halten bzw. die Masse innerhalb
des Extruders, d. h. innerhalb des Gangs, führen. Die Rückhaltevorrichtungen
sind vorzugsweise mit Abschnitten der Fluidverbindung ausgebildet,
wobei die Rückhaltevorrichtungen und die Fluidverbindung
den Feststoff von Gas und von Flüssigkeit trennen. Beispielsweise
ein Filter bzw. Filterabschnitt oder ein perforierter Rohrabschnitt
des Extruders kann zur erfindungsgemäßen Trennung
von Fluid von Feststoff verwendet werden. Die Perforationen sind
beispielsweise als eine Gruppe oder als mehrere Gruppen von n Löchern
ausgebildet, wobei n für die jeweiligen Gruppen unterschiedlich
oder gleich sein kann und n ≥ 1 ist. Die Löcher
können an verschiedenen Stellen des Zylinders angeordnet
sein und können als senkrechte oder schräge Bohrungen
in Förderrichtung oder entgegen die Förderrichtung
ausgebildet sein Die Löcher, welche die Entgasungsöffnungen
bzw. Perforationen bilden, haben vorzugsweise einen Querschnitt bzw.
Durchmesser, dessen Größe verhindert, dass Extrudiermasse
bzw.
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Schmelze
den Entwässerungsstrom wesentlich behindert. Die Entgasungsöffnung
kann ein Kanal sein, der nicht ausschließlich in radialer
Richtung verläuft, sondern aufgrund von zueinander axial
und radial versetzten Wänden, die sich im wesentlichen tangential
erstrecken, eine Rückhaltefunktion für die Extrudiermasse
ausübt. Während Windungen bzw. die Wände
des Kanals für die feste Extrudiermasse ein Rückhalteelement
bzw. ein Hindernis darstellen, sehen diese für Wasser und
Wasserdampf, d. h. für Fluid, eine Verbindung zum Umgebung
oder zum Entspannungsvolumen vor, so dass trotz des Verlauf des
Kanals die Entfeuchtung so gut wie unbehindert vorgesehen werden
kann. Der Kanal kann mehrmals gewunden sein oder labyrinthartig
gewunden sein, und weist vorzugsweise eine rechteckige Öffnung
im Extruderzylinder auf. Vorzugsweise hat eine Entgasungsöffnung
einen Durchmesser von 1–100 mm, 10–70 mm oder
20–60 mm. Ferner können die Entgasungsöffnungen
eine Querschnittsfläche von 1–50 cm2,
5–30 cm2 oder von 8–20
cm2 haben. Gleichzeitig wird an den Entgasungsöffnungen
vorzugsweise ein Druck vorgesehen, der die Extrudiermasse im wesentlichen
nicht aus dem Extruder herauspresst. Die Entgasungsöffnungen
sind nach oben hin geöffnet, d. h. entgegen der Schwerkraftrichtung,
so dass die Extrudiermasse trotz Öffnung im Extruder verbleibt. Auch
die Verwendung eines Siebs ist möglich, wobei in diesem
Fall Maßnahmen getroffen werden müssen, um eine
Verstopfung des Siebs, insbesondere durch Bindemittel, zu vermeiden.
Diese Maßnahmen umfassen einen geringen Druck, eine geringe
Temperatur, eine geringe Schneckendrehzahl, einen niedrigen Bindemittelanteil
und Rückhaltemittel, die den Fluss der Extrudiermasse in
der Höhe des Siebs führen.
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Vorzugsweise
umfasst der Extruder mehrere miteinander durch Kraft- oder Formschluss
verbundene Abschnitte, wobei mindestens ein Abschnitt Fluidkanäle
aufweist und ein anderer Abschnitt oder mehrere andere Abschnitte
keine Fluidkanäle aufweist. In einem derartigen modularen
Aufbau können somit offene und geschlossene Zylinderelemente verwendet
werden. Die Fluidkanäle führen nach oben, entgegen
der Richtung der Schwerkraft.
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Gemäß einer
Ausführung der Erfindung wird die Extrudiermasse an oder
bevor Abschnitten mit Perforationen, d. h. Flüssigkeits-
oder Dampfaustrittsstellen (Fluidverbindungen) erhitzt, beispielsweise
durch Heizelemente, die an oder in der Zylinderhülle des
Extruders vorgesehen sind. Ferner wird das Extrudiermasse nach Abschnitten
mit Perforationen oder insbesondere vor dem Austritt des Extrudiermasse
vorzugsweise gekühlt, beispielsweise durch Kühlelemente.
Die Extrudiermasse kann direkt gekühlt oder erwärmt
werden, oder kann indirekt über den Extruderhohlzylinder
sowie hohle Schnecken gekühlt oder erwärmt werden.
Die Heizelemente können mittels Elektroheizelementen oder
Leitungen für heiße Medien vorgesehen werden.
Die Kühlelemente können mittels Leitungen für
kalte Medien vorgesehen werden. Das heiße Medium kann über
einen Wärmetauscher mit dem kalten Medium verbunden sein.
Die Wärme kann ferner mittels des ausgegebenen Extrudiermasse
teilweise oder vollständig erzeugt werden. Vorzugsweise
umfasst der Extruder mindestens ein steuerbares Heizelement oder
mehrere individuell steuerbare Heizelemente, die entlang des Extruders
verteilt sind und insbesondere vor einem Abschnitt mit Fluidkanälen
angeordnet sind. Ferner wird Wärme durch die Schneckenbewegung und
die Reibung zwischen Extrudiermasse und Extruderzylinderhülle
erzeugt. Die Temperatur kann derart gesteuert werden, dass je nach
Ausgangsstoff und gewünschten Pelleteigenschaften die Temperatursteuerung
auch überwiegend zur Kühlung bzw. dem Schutz einer
vorzeitigen Oxidation der brennbaren Extrudiermassenbestandteile
dienen kann. Hierzu wird der Extrudiermasse vorzugsweise an wärmeintensiven
Stellen mittels Kühlelemente Wärme entzogen. Ferner
können zur Kühlung Kühlmedien verwendet
werden, die über Kanäle und/oder durch einen Innenraum
einer hohlen Schnecke der Extrudiermasse Wärme entziehen.
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Die
Heizelemente, welche in Förderrichtung vor den Fluidverbindungen
angeordnet sind, werden vorzugsweise derart angesteuert, dass die
Extrudiermasse vor den Fluidverbindungen und an diesen eine Temperatur
von > 100°C
aufweist, um das Entwässern durch den Dampfdruck des Wasser
zu unterstützen.
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Die
verschiedene Abschnitte des Extruder werden beheizt, vorzugsweise
individuell und mittels modularer Heizelemente. Das Extrudieren
gemäß dem erfindungsgemäße Verfahren
umfasst vorzugsweise: Vorsehen von Betriebsparameter in dem Extruder
sowie Vorsehen einer Verweildauer der Extrudiermasse in dem Extruder.
Die Betriebsparameter und die Verweildauer liegen unterhalb von
Oxidationsgrenzen, ab denen eine Oxidation eines wesentlichen Anteils
der Extrudiermasse aufgrund der Betriebsparameter und/oder der Verweildauer
stattfindet. Ferner liegen die Betriebsparameter zumindest für
einen Teil der Verweildauer oberhalb einer Schmelzgrenze, ab der
die thermoplastische Biopolymer-Bindemittelkomponente zumindest
teilweise schmilzt. Die Betriebsparameter umfassen beispielsweise
die Temperatur innerhalb des Extruders, den Druck innerhalb des
Extruders und/oder die Drehzahl der Extruderschnecke. Insbesondere
kann der Druck und/oder die Temperatur abhängig von dem
Feuchtigkeitsgehalt der Ausgangsstoffe bzw. der Extrudiermasse gesteuert
werden. Der Druck und/oder die Temperatur kann daher mit zunehmendem
Feuchtigkeitsgehalt erhöht werden, um so den gewünschten Mobilisierungsgrad
des Wassers in der Extrudiermasse zu erreichen. Das mobilisierte Wasser
wird an den Entwässerungsöffnungen als Dampf abgegeben.
In gleicher Weise kann die Schneckendrehzahl und/oder die Verweildauer
der Extrudiermasse in dem Extruder dem gewünschten Zerkleinerungsgrad und
dem Zerkleinerungsaufwand der Ausgangsstoffe angepasst werden. Durch
Steuerung der Schneckendrehzahl und/oder der Verweildauer kann so
der Prozess der Partikelgröße und der Festigkeit
der Ausgangsstoffe angepasst werden, um unabhängig von den
Eigenschaften der Ausgangsstoffe Pellets mit den gewünschten
gleichen Eigenschaften herzustellen.
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Ferner
können geometrische Eigenschaften wie die Ganghöhe
der Extruderschnecke entlang des Verlaufs des Extruders veränderlich
sein. Daher wird der Extruder bevorzugt aus modularen, austauschbaren
einzelnen Elementen aufgebaut, die dem gewünschten Zweck
(bzw. der zu erwartenden Ausgangsstoffspanne) angepasst werden können.
Vorzugsweise nimmt die Ganghöhe entlang des Verlaufs des
Extruders ab, entweder kontinuierlich oder vorzugsweise in Stufen,
die jeweils eine konstante Ganghöhe aufweisen. Ebenso kann
der Druck auf die Extrusionsmasse durch veränderliche Schneckenteile
wie z. B. Knet- oder Scherelemente oder durch eine abnehmende Gangsteigung
erhöht bzw. durch eine zunehmende Gangsteigung oder auch
Gangtiefe erniedrigt werden. Insbesondere an diesen Übergängen
mit starker Druckabfall sind Fluidkanäle oder Entgasungsöffnungen
angeordnet, so dass durch den plötzlichen Druckabfall bei
höheren Temperaturen, vorzugsweise über 100°C,
das vorher unter Druck stehende Wasser verdampft und aus der Extrudiermasse
ausgetrieben wird, vorzugsweise durch die Entgasungsöffnungen.
An derartigen Übergängen stoßen vorzugsweise
miteinander verbundene Extruderzylinderabschnitte bzw. Teilzylinder
aneinander, beispielsweise mittels einer Austrittsverbindung bzw.
mittels eines Entdampfungs-Teilzylinders. Eine derartige Austrittsverbindung
verbindet Abschnitte des Extruders und weist mindestens eine Fluidverbindung
von innen nach außen auf. Vorzugsweise sind die mindestens
eine Fluidverbindung als Löcher bzw. Bohrungen vorgesehen,
die in gleichen Winkelabstand um die Extruderhülle bzw.
um den Extruderzylinder verteilt sind, nur einen Teilwinkel überstreichen,
und alle in der gleichen Höhe des Extruders angeordnet
sind. Die Fluidverbindungen können auch in Längsrichtung
des Extruders verteilt angeordnet sein.
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Der
Extruder kann als Einzelschneckenextruder, gegenläufiger
Doppelschneckenextruder und vorzugsweise als gleichläufiger
Doppelschneckenextruder ausgeführt sein.
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Neben
dem Wasser bzw. Dampf werden auch Gase abgeleitet, die durch Extrudieren
bzw. Erhitzen der Extrudiermasse durch Verdampfung und chemische
Reaktion entstehen. Gemäß einer Ausführung
wird die Entgasung durch die durchgängigen Entgasungsöffnungen
mittels Normalatmosphäre, Unterdruck oder Vakuum an dem
Ende der Fluidverbindung unterstützt.
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Als
Rohstoffe können alle zerkleinerbaren Brennstoffe verwendet
werden, vorzugsweise Biomaterial oder Recyclematerial. Die Rohstoffkomponente
der Extrudiermasse, die die Rohstoffe umfasst, kann einen Feuchtigkeitsanteil
von 10 Gew.-%–60 Gew.-% aufweisen und kann daher im Falle
von Biomaterial Lagermaterial oder frisches Erntematerial sein.
Vorzugsweise umfasst die Rohstoffkomponente nur nachwachsendes Biomaterial,
d. h. biologische Erzeugnisse oder biologisches Restmaterial. Die Rohstoffkomponente
kann ein inhomogenes oder homogenes Gemisch sein und ist vorzugsweise
rieselfähig, schüttfähig oder partikelartig.
Als Rohstoffbasis werden insbesondere nachwachsenden, Wiederaufbereitung
oder aus Abfallstoffen erzeugte Rohstoffe verwendet, beispielsweise
Abfallstoffe, die einen wesentlichen Anteil petrochemisch erzeugter
Kunststoffe umfassen. Es sind cellulosebasierte Rohstoffe, Holz,
Hanf oder Bambus in Schrot oder Mehlform, Holz, Halmgut, Holzmehl,
Holzschrot oder -shredder, faserhaltige Getreide- oder Forstabfälle,
Altpapier, Naturfasern wie Baumwolle oder Cellulosefasermaterial
in jeglicher Kombination als Rohstoffkomponente verwendbar. Die
Rohstoffe können prinzipiell Frischware, Abfälle,
wiederverwertetes Gut oder eine Mischung hiervon sein. Es können
prinzipiell auch Feuchtigkeitsanteile von bis zu 70 Gew.-% oder
bis zu 80 Gew.-% verarbeitet werden. Das erfindungsgemäße
Verfahren wird an einen hohen oder variierenden Wasseranteil durch
entsprechende Drücke und Temperaturen bzw. mittels einer
erhöhten Wärmezufuhr angepasst. Daher lassen sich
auch feuchte Stoffe wie Klärschlamm, frisches Blattwerk,
Kompostierabfall und anderer organischer Abfall verarbeiten, indem
durch die hohe Temperatur und durch die eine oder mehreren Erhitzungs-
und Entwässerungsstufen der Wasseranteil entzogen wird,
bevor die Extrudiermasse aus dem Extruder tritt.
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Die
Bindemittelkomponente umfasst vorzugsweise einen Stoff, der durch
Schmelzen und/oder durch Lösen verflüssigt werden
kann, insbesondere einen Kunststoff. Grundsätzlich können thermoplastische
oder lösliche Kunststoffe verwendet werden, beispielsweise
Biopolymere (d. h. Polymere aus nachwachsendem bzw. erneuerbarem Rohstoff,
vorzugsweise pflanzlich) oder konventionelle Polymere, d. h. petrochemisch
und/oder aus Reststoffen erzeugte Polymere. Vorzugsweise wird ein
brennbares thermoplastisches Biopolymer verwendet, das auf nachwachsenden
Rohstoffen basiert, thermoplastische Stärke, thermoplastische Stärkederivate,
auf nachwachsenden Rohstoffen basierende(s) oder abbaubares Matrixpolymer,
Polyhydroxyalkonoat, Polylactid, Polyester, oder thermoplastisches
Cellulosederivat. Ferner können wasserlösliche
Polymere verwendet werden, die insbesondere bei Lösung
in Wasser eine für Bindemittel geeignete Viskosität
und Klebrigkeit erhalten. Ferner kann die Biopolymer-Bindemittelkomponente
Recyclingmaterial auf petrochemischer Basis umfassen, beispielsweise
durch Wiederaufbereitung gewonnener Kunststoff, Abfallstoff mit
thermoplastischem Kunststoff oder ein Kombination hiervon. Als Biopolymer-Bindemittelkomponente
kann ein Gemisch aus thermoplastischem Biopolymer auf pflanzlicher
oder tierischer Basis und thermoplastischem petrochemisch erzeugten
Polymer verwendet werden, das aus Abfällen oder aus aufbereiten
Abfällen gewonnen wird. Besonders bevorzugt werden Cellulose- und
Stärkederivate, Polyhydroxyalkanoate, Polylactid und andere
Polyester beispielsweise Polycaprolacton und insbesondere das Biopolymer
Polylactide (PLA) sowie verschiedene, abbaubare Polyester als Biopolymer-Bindemittelkomponente
in beliebiger Mischung verwendet.
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Vorzugsweise
ist die gesamte Biopolymer-Bindemittelkomponente sowie die gesamte
Rohstoffkomponente CO2-neutral.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform wird der Extrudiermasse, der Bindemittelkomponente und/oder
der Rohstoffkomponente ein Additiv beigefügt, z. B. antimikrobiell
wirkende Substanzen, Geruchsaromen, wie Latschenkiefer, Minze oder
Weihnachtsdüfte, oder eine Kombination hiervon.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren vereint das Vermischen
und Formen der in den Extruder eingebrachten Materialien und trocknet
diese gleichzeitig durch Entgasung als einstufigen Prozess. Ferner werden
in dem selben Schritt des Extrudierens die eingebrachten Materialien
zerkleinert und homogenisiert, insbesondere bei gröberen
Ausgangsstoffen. Die Betriebsparameter wie Schneckengeometrie, Schneckengeschwindigkeit,
Temperatur, Temperaturverlauf, Innendruck, Scherkräfte,
Mischintensität, Aufenthaltsdauer der Extrudiermasse werden
vorzugsweise an die Rohstoff- bzw. Bindemitteleigenschaften individuell
angepasst. Die Steuerung der Betriebsparameter trägt vorzugsweise
dem gewünschten Durchsatz, der Schmelztemperatur des Bindematerials,
der Geometrie und Partikelgröße der Ausgangsstoffe
(brennbarer Rohstoff/Bindematerial), dem Feuchtigkeitsgehalt, der
gewünschten Geometrie der auszugebenden Extrudiermasse
und der Düsengeometrie der Ausgabestufe des Extruders Rechnung.
Das gewünschte Eigenschaftsprofil der Brennstoffpellets
kann durch geeignete Steuerung bzw. Regelung der Betriebsparameter
eingestellt werden. Vorzugsweise werden diese Betriebsparameter,
ggf. in Form eines Verlaufs entlang des Extruders, für
den gewünschten Prozessschritt angepasst, d. h. Mobilisieren
von Wasser durch Pressen und Dampfdruck, Entfernen von Dampf, ohne
dass dieser Extrudiermasse mit sich führt und ohne ein
Auspressen der Extrudiermasse aus dem Extruder heraus, Ausgeben der
Extrudiermasse bei einem Druck/bei einer Temperatur, die gewährleistet,
dass Restwasser nur mit einer geringen Geschwindigkeit/mit einer
geringen Intensität aus dem Extruder oder aus dem Endlosstrang
austritt, ohne den Endlosstrang zu verformen.
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Die
Extrudiermasse, beispielsweise mit variabler Zusammensetzung, wird
mittels einer Düse aus dem Extruder ausgegeben, wobei am
Düsenausgang eine Schneid- bzw. Pelletiervorrichtung oder Brikettprägevorrichtung
angeordnet ist. Die Extrudiermasse wird als durchgehende Strangmasse
in einem oder in mehreren Düsen ausgegeben, wobei die Strangmasse
vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 1 cm, weniger als
7 mm weniger als 5 mm und insbesondere ca. 3 mm oder einen Durchmesser von
weniger als 3 oder 2 mm aufweist. Die Pelletiervorrichtung ist vorzugsweise
eingerichtet, jeden Strang in Teile mit einer Länge von
weniger als 1 cm, weniger als 7 mm weniger als 5 mm und insbesondere
ca. 3 mm aufzuteilen. Es sind auch Längen von weniger als
3 oder 2 mm realisierbar. Vorzugsweise werden Pellets mit einem
Durchmesser von ca. 3 mm und einer Länge von ca. 3 mm erzeugt.
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Zur Überprüfung
der Wirksamkeit des Verfahrens wurde eine erste Mischung mit einer
Rohstoffkomponente mit ca. 25 Gew.-% Wasser und eine zweite Mischung
mit einer Rohstoffkomponente mit 1% Gew.-% Wasser gleichermaßen
behandelt. Die Bindemittelkomponente in beiden Mischungen hatte einen
Gewichtsanteil in der Extrudiermasse von 50 Gew.-% und einen Wasseranteil
von 1 Gew.-%. Das Ergebnis waren ein Wassergehalt von 0,461 Gew.-% bei
der Mischung mit feuchter Rohstoffkomponente und ein Wassergehalt
von 0,256 Gew.-% bei der Mischung mit trockener Rohstoffkomponente
in den erzeugten Brennstoffpellets. Trotz des hohen Wasseranteils
in der Rohstoffkomponente konnten somit Pellets mit sehr geringem
Wasseranteil hergestellt werden.
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Die
Betriebsparameter waren:
- – Drehzahl:
100 × 1/min
- – Temperaturprofil: 50°C–max. 200°C
- – Durchsatz: 30 kg/h
- – Test: Karl-Fischer-Titration direkt an der ausgegebenen
Masse bei 160°C.
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In
einem weiteren Versuch mit gleichen Betriebsparametern, jedoch mit
einem erhöhten Durchsatz von 250 kg/h wurde bei einem Rohstoffanteil
von 40 Gew.-% mit einem Wasseranteils von ca. 10% Gew.-% in der
Rohstoffkomponente ein Wasseranteil ca. 0,5 Gew.-% in den Brennstoffpellets
erzielt.
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Ferner
wurde ermittelt, dass erfindungsgemäß erzeugte
Pellets nach 30 Tagen Lagerung bei 60% rel. Luftfeuchte einen Wasseranteil
von weniger als 1% aufweisen, wohingegen im Vergleichversuch konventionelle
Pellets nach bereits 5 Tagen unter denselben Lagerbedingungen einen
Wasseranteil von 5–6% aufweisen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren umfasst insbesondere
einen Extrudierschritt mit einer Bindemittel-Zuführungsstufe,
einer Rohstoff-Zuführungsstufe, und mindestens einer Erhitzungsstufe,
die nach der Bindemittel-Zuführungsstufe und/der nach der
Rohstoff-Zuführungsstufe ausgeführt wird. Hierdurch
wird Dampfdruck erzeugt, um Wasser, das in dem Bindemittel und/oder
insbesondere in dem Rohstoff vorhanden ist, zunächst unter
Druck zu setzen. Auf die mindestens eine Erhitzungsstufe folgt (in
Verarbeitungsrichtung bzw. Förderrichtung) eine Entfernungsstufe,
in der das unter Druck stehende Wasser unter Druckabnahme nach außen
entfernt wird. Die Erhitzungsstufen können mittels Heizelemente und/oder
mittels Schneckenabschnitte geringerer Ganghöhe vorgesehen
werden. Schneckenabschnitte geringerer Ganghöhe erzeugen
Druck, Reibung und/oder Hitze innerhalb der Extrudiermasse. Nach der
Entfernungsstufe und vor einer Ausgabestufe kann eine Kühlstufe
vorgesehen sein. Die Erhitzungsstufen sehen vorzugsweise eine Temperatur vor,
die über der Verflüssigungstemperatur des Bindemittels
liegt, und die unter einer Zersetzungstemperatur der Extrudiermasse
liegt. Die Bindemittel-Zuführungsstufe und die Rohstoff-Zuführungsstufe
können gleichzeitig vorgesehen sein, oder können
nacheinander ausgeführt werden, beispielsweise getrennt durch
eine Erhitzungsstufe und/oder durch eine Entfernungsstufe. Der Begriff „Stufe"
bedeutet in diesem Zusammenhang Verarbeitungsschritt. Gleichermaßen
kann der Begriff „Stufe" in diesem Zusammenhang der Vorrichtungsabschnitt
sein, der dem jeweiligen Verarbeitungsschritt entspricht.
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Durch
das Extrudieren werden die Ausgangsstoffe zerkleinert und gepresst,
wodurch Wasser mobilisiert wird. Durch entsprechenden Druck- und
Temperaturaufbau wird das mobilisierte Wasser als Wasserdampf unter
Druck gesetzt, der nach dem Druck- und Temperaturaufbau durch Entgasungsöffnungen
entweicht. Während an diesen Entgasungsöffnungen
aufgrund von hohen Temperaturen >> 100°C (> 150°C, bsp.
180°C–200°C) ein hoher Dampfdruck herrscht,
um das Wasser aus der Extrudiermasse zu entfernen, übt
der Extruder an diesen Stellen nur einen geringen Druck auf die
Extrudiermasse aus, wodurch diese nicht oder nicht wesentlich in
die Entgasungsöffnungen hineingepresst wird. Der Dampfdruck
entspannt sich durch die Entgasungsöffnungen, wodurch die
Extrudiermasse abgekühlt wird. Dieser Entwässerungsprozess
(Erhitzen, Entspannen des Dampfdrucks bei geringem Druck auf die
Extrudiermasse) wird erfindungsgemäß ein- oder
mehrmals entlang der Extruderförderung ausgeführt.
Die Temperatur kann nach dem Entspannungsvorgang durch Heizelemente
gehalten werden oder kann durch Kühlelemente gesenkt werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die 1 zeigt
einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen
Extruder.
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Die 2 zeigt
einen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen
Extruder.
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Beschreibung der Figuren
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Im
Folgenden wird der erfindungsgemäße Extruder anhand
der in 1 dargestellten Ausführung erläutert.
Ferner wird anhand der Ausführung von 1 das
erfindungsgemäße Verfahren erläutert.
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Die 1 ist
nicht maßstäblich dargestellt, die Maßangaben
sind lediglich beispielhaft. Die Darstellung zeigt eine Abfolge
von Funktionsblöcken, die von links nach rechts aneinandergereiht
sind. Insbesondere die in vertikaler Richtung verlaufenden Öffnungen
des Extruders von 1 sollen keine bauliche Orientierung
darstellen sondern dienen lediglich zur Skizzierung der prinzipiellen
Funktionen. Vorzugsweise sind vertikal verlaufende Öffnungen
in einer bauliche Realisierung nach oben hin geöffnet,
d. h. in eine Richtung, die, ausgehend von dem Extruderinnenraum,
gegen die Schwerkraft gerichtet ist. Die Öffnungen sind
in radialer Richtung verlaufenden Bohrungen, die parallel zur Schwerkraftrichtung
verlaufen und nach oben weisen, so dass die Extrudiermasse u. a.
durch die Schwerkraft im Extruderinnenraum gehalten wird. Die dargestellten
Größenverhältnisse können als
Grundlage für eine Realisierung verwendet werden.
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Der
in 1 dargestellte Extruder umfasst eine Zylinderhülle 10 und
eine Schnecke 20 oder vorzugsweise zwei darin parallel
angeordnete Schnecken (nicht dargestellt). Die Schnecke und der
Extruder sind jeweils in Abschnitte aufgeteilt, die miteinander
befestigt sind. Die Zylinderhülle 10 ist in zehn
miteinander verbundene und nacheinander angeordnete Teilzylinder
aufgeteilt. Die Teilzylinder umlaufen die Schnecke jeweils vollständig
und erstrecken sich entlang eines Längsabschnitts des Extruders.
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Der
erste Teilzylinder umfasst den Eingabebereich 42, der durch
einen radialen Zugang in der Form einer sich entlang des Extruders
erstreckende Aussparung ausgebildet ist. Die Aussparung umläuft die
Schnecke in tangentialer Richtung für einen bestimmten
Winkelabschnitt, beispielsweise 45°. In einer Umsetzung
der 1 weist die Öffnung vorzugsweise nach
oben, so dass die Schwerkraft eingebrachtes Material zur Schnecke
hin drückt. Die auf den Teilzylinder folgenden drei Teilzylinder
umgreifen die Schnecke vollständig und schließen
die Extrudiermasse im Extruderinnenraum bzw. im Extrudergang vollständig
ab. In diesen Teilzylindern erfolgt ein Verflüssigen, d.
h. Lösen, Erweichen oder Aufschmelzen des Bindemittels.
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An
diese Teilzylinder schließt sich ein Entwässerungs-
bzw. Entdampfungs-Teilzylinder 30a an. Grundsätzlich
können diese schmale Zylinderelemente an allen entsprechenden
Stellen platziert werden und dienen der direkten Messung der wichtigen Parameter
der Extrusionsmasse, d. h. Druck und Temperatur angeordnet sein.
Der Entdampfungs-Teilzylinder 30a, der eine sich radial
erstreckende Öffnung aufweist, die das Innere der Zylinderhülle
mit der Umgebung verbindet. Durch diese Öffnung, beispielsweise
eine Bohrung mit einem kreisförmigen Querschnitt, kann
Dampf und/oder Wasser aus der Extrudiermasse entweichen. Derartige
kurze Teilzylinder können ferner als Messzugang verwendet
werden, wobei die Öffnung dazu dient, einen Temperatur-
oder Drucksensor an die Extrudiermasse heranzuführen, um
entsprechende Betriebsparameter zu erfassen. Die Öffnung
kann daher auch nur der Durchführung von Zuleitungen und
dem Anordnen von Sensoren dienen, ohne dass die Öffnung
eine Fluidverbindung zur Entwässerung vorsieht. Ferner
können die Funktionen kombiniert werden, so dass eine Entgasungsöffnung,
die eine Fluidverbindung vorsieht, auch gleichzeitig zur Anordnung von
Sensoren dient. Die Fluidverbindung kann an den Sensoren vorbeiführen.
Alternativ können Öffnungen für die Sensoren
vorgesehen sein, die fluiddicht abschließen, und es können
in der Nähe und/oder in der gleichen Höhe Entgasungsöffnungen vorgesehen
sein. Öffnungen die nur der Anordnung von Sensoren dienen
und keine Fluidverbindung vorsehen, können sich auch in
Schwerkraftrichtung erstrecken, da durch den Verschluss keine Extrudiermasse
aufgrund der Schwerkraft austreten kann. Die Extrudiermasse umgibt
die Schnecke und wird mit dieser in axialer Richtung befördert,
wobei die Innenfläche der Zylinderhülle zusammen
mit der Schnecke die Extrudiermasse führt. Die Öffnung
verjüngt sich zur Schnecke 20 hin in Form einer
Stufe. Der verjüngte innere Öffnungsabschnitts
stellt aufgrund des geringen Querschnitts eine Rückhaltevorrichtung dar,
wobei die Rückhaltung im wesentlichen dadurch vorgesehen
wird, dass sich die Öffnung nach oben hin erstreckt und
somit die Schwerkraft die Extrudiermasse in dem Extruderinneren
hält. In einer baulichen Umsetzung des Extruders von 1 weisen
die Öffnungen aller Entdampfungs-Teilzylinder im wesentlichen
nach oben. Ausgehend von dem Extruderinnenraum verlaufen daher die
die Öffnungen in eine Richtung, die der Schwerkraft im
wesentlichen entgegengesetzt ist. Die Öffnungen führen
somit in den oberen Halbraum. Die Öffnungen eines Entdampfungs-Teilzylinder
können gruppenweise angeordnete Bohrungen sein, die entlang
des Extruderverlaufs angeordnet sind oder die gleichmäßig
auf einem oberen Flächenabschnitt der Zylinderhülle
verteilt sind. Insbesondere kann dies auch eine größere
nach oben oder zur Seite gerichtete, geometrisch strömungstechnisch
speziell geformte runde, ovale oder rechteckige Öffnungen
mit mechanischer Rückhaltestegen sein. Ferner kann vorzugsweise
an zumindest einer Entgasungsöffnung eine Vakuumssaugvorrichtung
angeschlossen sein, die durch die Druckreduktion das Ausströmen
von Dampf unterstützt.
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An
den Entwässerungs- bzw. Entdampfungs-Teilzylinder 30a schließt
sich ein weiterer Teilzylinder, der die Schnecke 20 vollständig
umgreift und den Extruderinnenraum von der Umgebung vollständig
trennt. Auf diesem folgt ein zweiter Entwässerungs- bzw.
Entdampfungs-Teilzylinder 30b, der wie der Entdampfungs-Teilzylinder 30a aufgebaut
ist. An den Entdampfungs-Teilzylinder 30b schließt
sich über einen weiteren Teilzylinder, der die Schnecke 20 vollständig
umgreift, ein dritter Entdampfungs-Teilzylinder 30c an.
Dieser ist ebenfalls wie die Entdampfungs-Teilzylinder 30a und
b aufgebaut. Ferner sind die Teilzylinder gleich aufgebaut. Nach
dem dritten Entdampfungs-Teilzylinder 30c folgt ein letzter
Teilzylinder (identisch zu den anderen), an dessen Ende eine Ausgabeöffnung 50 folgt.
An der Ausgabeöffnung 50 sind Düsen oder
eine Matrix angeordnet (nicht dargestellt), die in axialer (d. h.
horizontaler) Richtung verlaufen und die den Extruderinnenraum mit
der Umgebung verbinden. Durch die Düsen bzw. die Matrix
wird die Extrudiermasse geführt, wodurch sich mehrere Stränge
ergeben, vorzugsweise fünf Stränge mit dem gleichen
Querschnitt.
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Die
Schnecke 20 umfasst einzelne Elemente, Bereiche oder Abschnitte,
die zum Teil einteilig aufgeführt sind und zum Teil auf
eine andere Art (Kraftschluss, Formschluss) miteinander gekoppelt sind.
In der 1 sind sechs Abschnitte dargestellt. Die im folgenden
beschriebenen Abschnitte betreffen Längsabschnitte der
Schnecke sowie dazu entsprechende Längsabschnitte der Zylinderhülle 10 bzw. des
Extruders.
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Der
erste Abschnitt 20a ist am Eingabebereich angeordnet, der
zweite Abschnitt 20b wird von geschlossenen Teilzylindern
umgeben. Der erste und der zweite Abschnitt 20a, b sind über
eine Kupplung mit dem dritten Abschnitt 20c verbunden.
Der dritte Abschnitt 20c endet an der Öffnung
des ersten Entdampfungs-Teilzylinders 30a. Der erste, zweite
und dritte Abschnitt 20a–c weisen die gleiche
Ganghöhe auf. Der vierte Abschnitt 20d beginnt
an der an der Öffnung des ersten Entdampfungs-Teilzylinders 30a und
endet an der der Öffnung des zweiten Entdampfungs-Teilzylinders 30b.
Der fünfte Abschnitt 20e beginnt an der an der Öffnung
des zweiten Entdampfungs-Teilzylinders 30b und endet an
der der Öffnung des dritten Entdampfungs-Teilzylinders 30c.
Der vierte und fünfte Abschnitt 20d, e weisen
die gleiche Ganghöhe auf, die geringer als die Ganghöhe
des ersten bis dritten Abschnitts 20a–c ist. In
der dargestellten Ausführungsform beträgt die
Ganghöhe des vierten und fünften Abschnitts 20d,
e 2/3 der Ganghöhe des ersten bis dritten Abschnitts 20a–c.
Der sich an den fünften Abschnitt 20d anschließende sechste
Abschnitt 20f führt zur Ausgabeöffnung
und hat eine Ganghöhe, die wiederum geringer als die Ganghöhe
des vierten und fünften Abschnitts 20d,e ist.
In der dargestellten Ausführungsform beträgt die Ganghöhe
des sechsten Abschnitts 20f 3/4 der Ganghöhe des
vierten und fünften Abschnitts 20d–e. Grundsätzlich
können jedoch auch andere Proportionen, Proportionsänderungen
und/oder Anzahlen an Ganghöhesprüngen vorgesehen
sein.
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Durch
die verringerte Ganghöhe, insbesondere zwischen dem ersten
und zweiten Entdampfungs-Teilzylinder 30a, b und zwischen
dem zweiten und dritten Entdampfungs-Teilzylinders 30b,
c ergibt sich im Vergleich zu den vorhergehenden Schneckenabschnitten 20a–c
in den Schneckenabschnitten 20d–e ein höherer
Druck, der zur verbesserten Entwässerung dient. Feuchtes
Material wird so in dieser ersten Druckstufe, die durch die Schneckenabschnitten 20d–e
gebildet wird, stark vorgepresst bzw. gepresst. Dies führt
zur Abtrennung von Wasser aus der Extrudiermasse, wobei das Wasser
beispielsweise als Dampf aus den Öffnungen der Entdampfungs-Teilzylinder 30a,
b und c entweichen kann. Vorzugsweise werden an dem Abschnitt 20c,
der dieser ersten Druckstufe vorgelagert ist, sowie in dieser Druckstufe
selbst die Extrudiermasse durch Wärmeelemente erhitzt.
Derartige Wärmeelemente umgeben die Zylinderhülle
an den entsprechenden Abschnitten. Die zweite Druckstufe, die durch
die nochmals verringerte Ganghöhe des sechsten Abschnitts 20f gebildet
wird, dient der Kompression der Extrudiermasse, die durch das entwichene
Wasser einen Volumenverlust erlitten hat. Die zweite Druckstufe des
Abschnitts 20f dient der homogenen Zuführung der
Extrudiermasse zu der Ausgabeöffnung 50 und zu
den Düsen, die an der Ausgabeöffnung 50 angeordnet
sind. Die zweite Druckstufe erhöht den Druck, mit der die
Extrudiermasse auf die Düsen bzw. auf die Matrix gepresst
wird. Dadurch wird der sich ergebende Endlosstrang mit homogener
Konsistenz und Dichte erzeugt, auch bei schwankenden Dichten in der
Extrudiermasse, die sich durch schwankende Volumenverluste durch
Wasserentzug ergeben. Derartige schwankende Volumenverluste treten
auf, wenn die Feuchtigkeit und somit das potentiell zu entziehende
Wasser innerhalb der Extrudiermasse entlang des Extuders schwankt.
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Vorzugsweise
umfasst der letzte, sechste Abschnitt 20f eine Kühlung,
so dass in der Extrudiermasse verbliebenes Restwasser beim Verlassen
der Ausgabeöffnung 50 bzw. der Düse nicht
schlagartig als Dampf verpufft oder mit hoher Geschwindigkeit entweicht
und somit Poren in der ausgegebenen Extrudiermasse erzeugt oder
den Endlosstrang unterbricht.
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Im
sechsten Abschnitt 20f und insbesondere an der Ausgabeöffnung 50 herrscht
somit vorzugsweise eine Temperatur von weniger als 100°C
oder weniger als 110°C, wohingegen die Temperatur in der ersten
Druckstufe (Abschnitte 20d, e) zur verbesserten Entwässerung
durch Dampfdruck vorzugsweise deutlich höher als 110°C
ist, beispielsweise größer als 140°C.
Ferner kann die Temperatur in der ersten Druckstufe an den Schmelzpunkt
bzw. Schmelzbereich des thermoplastischen Bindemittels sowie an die
Zersetzungstemperatur der Extrudiermasse angepasst sein. Die Maximaltemperatur
innerhalb des gesamten Extruders liegt daher vorzugsweise unter der
Zersetzungstemperatur der Extrudiermasse und die Minimaltemperatur
innerhalb des gesamten Extruders liegt daher vorzugsweise über
dem Schmelzpunkt bzw. innerhalb des Schmelztemperaturintervalls
des thermoplastischen Bindemittels. Die Temperatur und auch die
Geschwindigkeit der Schnecke können in Abhängigkeit
von dem gerade zu extrudierenden Material gesteuert werden. Insbesondere
die Maximaltemperatur innerhalb des Extruders kann so eingestellt
werden, dass die Zersetzungstemperatur der aktuellen Extrudiermasse
nicht erreicht wird. In gleicher Weise kann die Minimaltemperatur
an die Eigenschaften der gerade zu verarbeitende Extrudiermasse
bzw. des Bindemittels angepasst werden. Die Zersetzungstemperatur
entspricht der Temperatur, ab der Pyrolyse einsetzt und ein wesentlicher
Anteil der Extrudiermasse verkohlt bzw. verkokt.
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Der
Querschnitt der Zylinderhülle 10 ist in der in 1 dargestellten
Ausführung entlang der gesamten Zylinderhülle
im wesentlichen konstant. Insbesondere ist der innere Querschnitt
der Zylinderhülle entlang der gesamten Zylinderhülle
im wesentlichen konstant.
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Die 2 zeigt
einen weiteren Extruder. Die Förderrichtung ist entlang
der Richtung A. Der Extruder von 2 ist ebenfalls
mehrgliedrig und umfasst eine Schnecke und einen Extruderzylinder.
In der 2 sind Beispiele für die verschiedenen
Temperaturen angegeben, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens verwendet werden können. An der Öffnung 142a wird
die Bindemittelkomponente eingebracht, vorzugsweise bei einer geringeren
Temperatur (ca. 30°C). Darauf folgen zwei Heizungsabschnitte 150.
Diese erwärmen/verflüssigen/schmelzen die Extrudiermasse
auf ca. 200°C. Darauf folgt ein Entgasungsabschnitt 130b,
beispielsweise durch eine Verbindung der Extrudiermasse mit der
Atmosphäre. Erfindungsgemäß dienen eine
Erwärmungsstufe zusammen mit einer darauf folgenden Entgasungsstufe
der Entfernung von Wasser durch Aufbauen eines Dampfdrucks und Entwässern
durch Druckabfall, wodurch der Dampf und somit das Wasser entweicht.
Zusätzlich kann das Wasser der Verfahrenstechnik stromabwärts
erst zudosierten Rohstoffkomponente zusätzlich aufgrund des
Konzentrationsgefälles und dem Druckgefälle entgegen
der Transportrichtung durch diese Öffnung nach hinten entweichen.
Nach der Entwässerung am Abschnitt 130b folgt
ein Zuführungsabschnitt 142b für die
Rohstoffkomponente. Die Extrudiermasse ist am Zuführungsabschnitt 142b auf
180°C abgekühlt. Daraufhin wird die Rohstoffkomponente
und die Bindemittelkomponente miteinander vermischt und einer Press-
bzw. Erwärmungsstufe (175°C) ausgesetzt. Auf diese
folgt ein vorzugsweise unterstützt durch eine Vakuumvorrichtung,
um den Dampfaustritt zu unterstützen (Satz). Vor dem Entgasungsabschnitt 130a ist
ein weiterer Zuführungs- oder Erwärmungsabschnitt 142c vorgesehen.
Ferner ist dem Entgasungsabschnitt 130a ein Zugangsabschnitt
dargstellt, der eine für Sensoren vorgesehene Öffnung 130c umfasst.
Der Zugangsabschnitt kann, neben dem Entgasungsabschnitt 130a,
der Entwässerung dienen, in dem dieser eine Verbindung
zwischen dem Extruderinneren und der Umgebungsatmosphäre vorsieht.
Dadurch wird die am Entgasungsabschnitt 130a angeschlossene
Vakuumvorrichtung unterstützt. Auf den Entgasungsabschnitt 130a folgt
ein gekühlter Abschnitt (ca. 145°C), der die Extrudiermasse
vor der Abgabe als Endlosstrang kühlt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren umfasst zur Entfernung
von Wasser aus der Extrudiermasse, aus dem Bindemittel und/oder
aus der Rohstoffkomponente einen Schritt zum Druckaufbau. Hierzu
wird die Extrudiermasse auf über 100°C erhitzt.
Der dadurch aufgebaute Druck wird an einem Entwässerungsabschnitt
abgebaut vorzugsweise mit einem plötzlichem Druckabfall.
Dies wird insbesondere durch variable Schneckengeometrien (veränderliche, z.
B. abnehmende Ganghöhe oder Gangsteigung) erreicht, wodurch
das Wasser nach außen verdampft. Der Extrusionszylinder
besitzt insbesondere an dem Abschnitt, an dem Druck aufgebaut wird, oder
kurz danach bzw. in der Nähe Entgasungsöffnungen.
Die Entgasungsöffnungen können an eine zusätzliche
Vakuumsaugung angeschlossen sein. Dadurch kann der Extrusionsmasse
Wasser entzogen werden, ohne dass gleichzeitig Teile der Extrudiermasse
austreten. Die Masse wird durch die Geometrie der Öffnungen
sowie durch die Schwerkraft in dem Extruderinneren gehalten. Zudem
wird die Dampfströmung an dem Entwässerungsabschnitt vorzugsweise
durch Öffnungsdurchmesser und durch Temperaturdifferenz
bzw. Dampfdruck beschränkt, um zu verhindern, dass austretender Dampf
Teile der Extrudiermasse mit sich führt. Ferner kann zunächst
dem Bindemittel und dann der Rohstoffkomponente durch Druckaufbau
und darauf folgenden Druckabfall Wasser entzogen werden, bevor der
Rohstoffkomponente oder Mischung hieraus, d. h. der Extrudiermasse,
Wasser entzogen wird, oder umgekehrt. Die Trennung des Wasserentzugs
erlaubt die getrennte Anpassung an die Eigenschaften der Rohstoffkomponente
und an die Eigenschaften des Bindemittels, insbesondere hinsichtlich
Wassergehalt, Zersetzungstemperatur und Verflüssigungstemperatur.
-
Liste genannter Veröffentlichungen
-
-
- "Erfahrungen mit Mischpellets und FuE-Bedarf aus der
Sicht der (Anlagen-)Hersteller", Vortrag von Dr. Stephan Sternowsky,
Fachveranstaltung "Mischpellet- und Alternativbrennstoffe für
Kleinfeuerungsanlagen(KFA)-Potentiale und Handlungsbedarf", der
FNR am 1. März 2007 in Gülzow, BRD.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19918815 [0005, 0006, 0054]
- - US 3947255 [0005, 0006]
- - WO 00/18572 [0005, 0006, 0006, 0054]
- - US 2006/0082026 [0006, 0006]
- - US 2004200138 [0054]
- - US 2006082026 [0054]
- - US 3948255 [0054]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - "Erfahrungen
mit Mischpellets und FuE-Bedarf aus der Sicht der (Anlagen-)Hersteller",
Vortrag von Dr. Stephan Sternowsky, Fachveranstaltung "Mischpellet-
und Alternativbrennstoffe für Kleinfeuerungsanlagen(KFA)-Potentiale
und Handlungsbedarf", der FNR am 1. März 2007 in Gülzow,
BRD [0004]
- - "Erfahrungen mit Mischpellets und FuE-Bedarf aus der Sicht
der (Anlagen-)Hersteller", Vortrag von Dr. Stephan Sternowsky, Fachveranstaltung "Mischpellet-
und Alternativbrennstoffe für Kleinfeuerungsanlagen(KFA)-Potentiale
und Handlungsbedarf", der FNR am 1. März 2007 in Gülzow,
BRD [0054]