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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, deren Verwendung,
ein Verfahren und ein System zur kontinuierlichen Umwandlung von
Biomasse, insbesondere betrifft die vorliegenden Erfindung eine
Vorrichtung, ein Verfahren und ein System, bei dem Biomasse getrocknet,
entgast, verkohlt und gesammelt wird.
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Im
Folgenden wird der Stand der Technik kurz zusammengefasst.
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Die
DE 10 2005 038 135
B3 offenbart eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung
von Holzkohle in einem Wanderbett aus Holz oder anderer Biomasse.
Die Vorrichtung umfasst eine Zufuhrvorrichtung für Holz
oder andere Biomasse, einen Schacht, in dem das Wanderbett aus Holz
oder anderer Biomasse aufgenommen, getrocknet, entgast und verkohlt
wird, ein oder mehrere im unteren Bereich des Schachts angeordnete
Luftzuführungsmittel und einen im unteren Bereich des Schachts
angeordneten Gitterrost. Die den Gitterrost passierende Holzkohle
wird darunter in einem Wasserbecken aufgefangen, abgekühlt,
aus dem Wasserbecken gefördert und muss vor der weiteren
Verwendung getrocknet werden.
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Die
DE 3517972 A1 offenbart
eine kombinierte Austrags- und Kühleinrichtung für
Holzkohle aus Gegenstromverkohlungsanlagen. Zur Verringerung der
thermischen Belastung der Austragsorgane sowie zur Vermeidung von
Falschlufteintritt in den Verkohlungsbehälter und damit
verbundenem unkontrollierten Abbrand der Holzkohle wird die Holzkohle
an den wassergekühlten Wänden eines Troges vorgekühlt,
bevor sie in eine Austragsschnecke im Bodenbereich des Troges gelangt,
welche die Holzkohle aus dem seitlich offenen Trog herausfördert.
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Die
EP 1 473 351 A1 offenbart
eine Verfahren und ein System zur rauchlosen Herstellung von Kohle. Das
Ausgangsmaterial, z. B. Holz oder Bambus, wird dabei großer
Hitze ausgesetzt. Die Hitze entsteht durch Verbrennen der Gase,
die durch Erhitzen des Materials frei werden. Das Material wird
nicht vollständig verbrannt, sondern der Abbrand durch
Luftzufuhr geregelt. Dieses System umfasst eine Materialladeöffnung, über die
das Material eingebracht wird. Das Material wird dann sequentiell
in einer Kammer karbonisiert, wobei es zunächst entgast
bzw. getrocknet wird. Dabei wird Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und
Holzessig frei, wobei die Abgase seitlich am Boden der Kammer in
einem parallel zur Kammer verlaufenden Kamin nach oben abgeführt werden.
Das poröse Kohlenstoffprodukt (Holzkohle) fällt
durch ein Gitter im Boden der Kammer auf eine Führungsrutsche
und dann über ein Fördermittel in einen Sammelbehälter.
Die Wandung der Rutsche wird von Kühlflüssigkeit
durchflossen und kühlt dadurch das poröse Kohlenstoffprodukt.
Der gefüllte Sammelbehälter ist zum Leeren über
eine Klappe nach außen entnehmbar.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte und vereinfachte
Vorrichtung, deren Verwendung, ein Verfahren und System zur kontinuierlichen
Umwandlung von Biomasse bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Varianten und bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 umfasst einen Zufuhrbereich
zur Aufnahme eines Wanderbetts aus Biomasse, insbesondere Holz,
mit: einem oberen Abschnitt zum Trocknen, einem mittleren Abschnitt,
einer Flammzone, zum Entgasen und einem unteren Abschnitt, einer
Glimmzone, zum Verkohlen der Biomasse zu einem festen Umwandlungsprodukt,
insbesondere Holzkohle; einem Gitterrost, der das Wanderbett abstützt
und der für das feste Umwandlungsprodukt nach unten durchlässig
ist, wobei ein Sammelbehälter zum Sammeln des festen Umwandlungsprodukts
vorgesehen ist, der unter dem Gitterrost angeordnet, gasdicht zur Umgebung
mit dem Zufuhrbereich koppelbar ist und einen Wandbereich mit einer
Kühleinrichtung aufweist.
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Damit
kann ein Wasserbecken zum Stoppen des Verkohlungsprozesses entfallen.
Es ist lediglich ein dichter, kühlender Sammelbehälter
erforderlich. Das feste Umwandlungsprodukt, ein Kohlenstoffkonzentrat,
d. h. ein Umwandlungsprodukt, das im wesentlichen Kohlenstoff umfasst,
z. B. Holzkohle, muss also nicht mehr nass aus einem kühlenden
Wasserbecken entnommen werden und anschließend getrocknet
werden, sondern kann sofort nach dem Abkühlen im Sammelbehälter
weiter genutzt werden.
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Außerdem
erlaubt die Anordnung des Sammelbehälters (direkt) unter
dem Gitterrost, dass das feste Umwandlungsprodukt allein durch die
Schwerkraft in den Sammelbehälter fällt. Ein zusätzliches
Fördermittel und eine ggf. dazu erforderliche Kühlung
des etwaigen Fördermittels, wie es bei der
DE 3517972 A1 eingesetzt wird,
oder einer gekühlten Führungsrutsche wie bei der
EP 1 473 351 A1 können
dadurch ebenfalls entfallen.
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Durch
den einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Umwandlungsvorrichtung
ist auch die Abdichtung zur Umgebung an der Schnittstelle zwischen
Sammelbehälter und Zufuhrbereich leicht zu realisieren.
Sie bewirkt, dass der Umwandlungsprozess im Sammelbehälter
zuverlässig gestoppt wird, indem zum einen die Temperatur
herabgesenkt wird und zum anderen Verbrennungsgase bzw. Luftsauerstoff
im Zufuhrbereich verbleiben (Kaminwirkung) und so der Verkohlungsprozess
in zweifacher Weise unterbrochen wird.
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Im
Wesentlichen eignet sich jede Art von biologischen Festbrennstoffen,
gemäß DIN preEN 14961-1:2009 insbesondere
die Herkunftsklassen zerkleinertes Wald-, Plantagen-, Industrie-,
oder Gebrauchtholz bzw. Mischungen daraus. Diese Herkunftsklassen
können hinsichtlich ihrer Handelsform weiter unterschieden
werden: Stückholz, z. B. Scheite; Hackschnitzel (im Folgenden
auch allgemein als Hackgut bezeichnet), z. B. mit schneidenden Werkzeugen
zerkleinertes Holz; Schreddergut, z. B. mit stumpfen, zertrümmernden
Werkzeugen zerkleinertes Holz; Pellets oder Briketts.
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Wald-
und/oder Plantagenholz umfasst insbesondere Vollbäume,
Stammholz, Waldrestholz, Stümpfe, Rinde und holzartige
Biomasse aus der Landwirtschaftspflege.
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Industrieholz
kann chemisch unbehandelte Holzrückstände, chemisch
behandelte Holzrückstände und faserige Abfälle
aus der Zellstoff- und Papierindustrie umfassen. Gebrauchtholz umfasst
im Wesentlichen chemisch behandeltes und unbehandeltes Holz.
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Zerkleinerte
holzartige Biomasse ist preiswert, da sie maschinell z. B. aus Abfallprodukten
der Forstwirtschaft herstellbar ist. Die zerkleinerte holzartige
Biomasse kann weniger sperrig als unzerkleinerte holzartige Biomasse
sein und dadurch leichter zu transportieren.
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Neben
holzartiger Biomasse ist auch Halmgutartige Biomasse, z. B. Getreide,
Gräser etc., und Biomasse von Früchten geeignet.
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Auch
begrenzt lagerungsfähiges Hackgut hoher Feuchtigkeit, insbesondere
Hackgut mit einer Feuchtigkeit von > 30%, ist geeignet.
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Wird
Hackgut beispielsweise aus zerkleinertem erntefrischen Holz hoher
Feuchtigkeit von über 30% oder von über 50% hergestellt,
so kann sich das angehäufte Hackgut bei Lagerung durch
biologische Umsetzungsprozesse bis zur Selbstentzündung
erhitzen. Ferner können gesundheitsschädliche
Schimmelpilze entstehen. Holzzersetzende Pilze können bei
hoher Feuchtigkeit ebenfalls gute Bedingungen vorfinden und dadurch
den Energiegehalt des Hackguts verringern.
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Daher
wird unzerkleinertes Holz oft vorgetrocknet und als zerkleinertes
Hackgut dann weiter getrocknet. Dies ist jedoch zeitaufwendig, erfordert
viel evtl. überdachte und durchlüftete Lagerkapazität
sowie bereits qualitativ hochwertig hergestelltes Hackgut, d. h.
Hackgut mit einer Feuchtigkeit < 30%
in grober scharfkantiger Form mit einer Kantenlänge von
etwa 5 cm, bei dem Grünanteile und Feinmaterial aussortiert
wurden, sodass bei geschütteter Lagerung genügend
Zwischenräume zur Luftzirkulierung und weiteren Trocknung
bleiben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung soll auch qualitativ
schlechter hergestelltes Hackgut, d. h. Hackgut mit einer Feuchtigkeit
von > 30% und/oder
Feinmaterialanteil und/oder Grünanteilen und/oder zerbreitem
Zustand und/oder viel Nadel- und/oder Blattanteil zu wertvoller
Holzkohle umwandeln. Dadurch erspart bzw. verringert die erfindungsgemäße Vorrichtung
beispielsweise das Vortrocknen des unzerkleinertes Holzes; das weitere
Trocknen des Hackguts; das Aussortieren etwaiger Feinanteile, Grünanteile,
Nadel- und Blattanteile; sowie Zeitaufwand und Lagerkapazität.
Ferner ist das Gewicht pro Brennwert bei dem Umwandlungsprodukt Holzkohle
niedriger als bei Hackgut, sodass im Allgemeinen geringere Transportkosten
für Holzkohle anfallen.
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Die
Größe von Bestandteilen in der Biomasse und/oder
die Schüttdichte der Biomasse (d. h. das Gewicht/Volumen
der Biomasse im geschütteten Zustand) können unter
anderem das Fließverhalten des Wanderbetts aus Biomasse
beeinflussen. Insbesondere führt eine hohe Schüttdichte
einer Biomasse im Zufuhrbereich zu einem höheren Druck
auf den Gitterrost als eine Biomasse mit niedrigerer Schüttdichte – bei
gleichem Volumen – verursachen würde. Der Druck
auf den Gitterrost kann unter anderem durch folgende Maßnahmen verändert
werden: Vergrößern oder Verkleinern des Zufuhrbereichs;
hohe oder niedrige Füllhöhe der im Zufuhrbereich
aufgenommenen Biomasse; Verdichten oder Auflockern der Biomasse
mit einer Verdichtungsvorrichtung (z. B. Häcksler, Presse)
oder Auflockerungsvorrichtung (z. B. Rechen) oder Verändern
der Größe der Öffnungen des Gitterrosts.
Dazu sind Öffnungen des Gitterrosts im Zufuhrbereich beispielsweise
verstellbar ausgeführt, sodass die Kohlengröße
bzw. die Fließrate der Biomasse durch die Größe
der Öffnungen steuerbar ist. Ferner kann der Gitterrost
gegen einen anderen Gitterrost ausgetauscht oder durch einen zusätzlichen Gitterrost
erweitert werden, um verschieden große Öffnungen
realisieren zu können.
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Gemäß einer
Weiterbildung steht der Sammelbehälter über einen
sich zum Zufuhrbereich hin aufweitenden Trichter und/oder eine Rohrleitung
mit dem Zufuhrbereich in Verbindung.
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Es
können drei alternative Ausführungsformen, wie
der Sammelbehälter mit dem Zufuhrbereich in Verbindung
steht, unterschieden werden:
Erstens, der Sammelbehälter
steht über eine Rohrleitung mit dem Zufuhrbereich in Verbindung.
Der Vorteil, dass das feste Umwandlungsprodukt durch die Schwerkraft
in den Sammelbehälter fällt und dort gesammelt werden
kann, bleibt erhalten. Durch die Rohrleitung, ggf. mit geringerem
Querschnitt, wird aber die Temperaturdifferenz zwischen dem gekühlten
Sammelbehälter und der Glimmzone im Zufuhrbereich erhöht,
da so die Strahlungswärme aus der Glimmzone besser abgeschirmt
wird. Damit wird die Kühlung im Sammelbehälter erleichtert
und auch der Umwandlungsprozess im Zufuhrbereich erfolgt mit geringeren
thermischen Verlusten.
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Zweitens,
der Sammelbehälter kann über einen sich zum Zufuhrbereich
hin aufweitenden Trichter mit dem Zufuhrbereich in Verbindung stehen.
Das hat den Vorteil, dass der Behälter nur eine kleine
abzudichtende Öffnung braucht und trotzdem das feste Umwandlungsprodukt
durch die Schwerkraft in den Sammelbehälter fällt
und dort gesammelt werden kann. Dies vereinfacht die Konstruktion
und verbessert ebenfalls die thermische Entkopplung zwischen Sammelbehälter
und Zufuhrbereich.
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Drittens,
der Sammelbehälter kann über eine Rohrleitung
und einen sich an die Rohrleitung anschließenden und zum
Zufuhrbereich hin aufweitenden Trichter mit dem Zufuhrbereich in
Verbindung stehen. Dadurch können die zu Erstens und Zweitens
genannten Vorteile kombiniert werden.
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Weiterhin
können im Trichter- und Rohrleitungsbereich weitere Einrichtungen
(Austragmittel, Belüftung, Temperaturmessung etc.) angeordnet
werden.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist der Sammelbehälter abnehmbar mit dem
Zufuhrbereich gekoppelt und/oder eine Entladevorrichtung ist am
Sammelbehälter angeordnet, um das feste Umwandlungsprodukt auszutragen.
Vorzugsweise kann der Sammelbehälter auch mit einem Wechseleinsatz
versehen.
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Der
Sammelbehälter kann durch bekannte Mechanismen (wie z.
B. Muffe, Dichtleiste, Manschette) mit dem Zufuhrbereich gekoppelt
sein. Bei Bedarf wird der Mechanismus geöffnet bzw. entfernt,
um den Sammelbehälter vom Zufuhrbereich zu entkoppeln.
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Der
Sammelbehälter kann außerdem mit Rädern,
Rollen oder dergleichen ausgestattet sein, sodass ein erster Sammelbehälter,
wenn er mit dem festen Umwandlungsprodukt gefüllt und dieses
darin abgekühlt ist, gegen einen zweiten leeren Sammelbehälter
ausgetauscht werden kann. Ein Vorteil austauschbarer Sammelbehälter
liegt darin, dass solche Behälter zugleich als Transportbehälter
dienen können.
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Ferner
kann das im Sammelbehälter gesammelte und abgekühlte
feste Umwandlungsprodukt durch eine am oder im Sammelbehälter
angeordnete Entladevorrichtung, wie z. B. eine Klappe, ein Schieber,
eine Zellenradschleuse oder dergleichen ausgetragen werden.
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Außerdem
kann der Sammelbehälter einen entnehmbaren Einsatz umfassen.
Der Einsatz kann als ein nach oben offener Behälter (Trog)
ausgelegt sein, der im Sammelbehälter so angeordnet ist,
dass er das feste Umwandlungsprodukt sammeln und/oder abkühlen
kann. Der Einsatz kann aus dem Sammelbehälter durch eine
dort angeordnete gasdicht zur Umgebung verschließbare Klappe
oder dergleichen entnommen werden und gegen einen anderen leeren
Einsatz ausgetauscht werden. Der Zwischenraum zwischen Sammelbehälter und
Einsatz kann dann zusätzlich ein Kühlmedium aufnehmen.
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Beispielsweise
kann der Sammelbehälter auch als drehbares Wechselmagazin
ausgeführt sein. In diesem Fall kann ein Magazinteil, wenn
er mit dem festen Umwandlungsprodukt gerillt ist und das feste Umwandlungsprodukt
darin abgekühlt ist, von der Rohrleitung, dem Trichter
und/oder dem Zufuhrbereich weggedreht werden und gleichzeitig ein
leeres Magazinteil hingedreht werden und gasdicht zur Umgebung angekoppelt
werden. Damit ist ein weitgehend kontinuierlicher Betrieb ohne Entnahmeverluste
möglich.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist eine Luftzufuhr zwischen Gitterrost und Sammelbehälter
vorgesehen, über welche eine steuerbare Luftmenge zuführbar
ist. Die Luftzufuhr ist vorzugsweise durch zwei passend ineinander
angeordnete Rohrstücke ausgebildet, die jeweils in Ihrer
Wandung Längsschlitze aufweisen.
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Ein
Rohrstück, z. B. das innenliegende Rohrstück,
kann zum anderen, z. B. das äußere Rohrstück, drehbar
und/oder längsverschiebbar angeordnet sein. Eines der Rohrstücke
ist an einer Stirnseite verschlossen. Die Längsschlitze
der beiden Rohrstücke können so in den Seitenwänden
angeordnet sein, dass sie bei einer bestimmten Stellung der Rohrstücke
zueinander fluchten. Die Luftzufuhr ist geöffnet. In einer
anderen Drehstellung können jeweils die Zwischenräume
des einen Rohrstücks die Schlitze des anderen überdecken. Die
Luftzufuhr ist verschlossen.
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Fluchten
die Schlitze der beiden Rohrstücke miteinander, so wird
eine maximale Öffnung zum Einlass von Luft in die Vorrichtung
gebildet. Wird dann beispielsweise das innenliegende Rohrstück
verdreht oder längsverschoben, so verringern sich die Überlappungen
der Schlitze und damit die Öffnung zum Einlass von Luft
in die Vorrichtung. Das innenliegende Rohrstück kann so
weit verdreht oder verschoben werden, dass keine Überlappung
der Schlitze mehr vorliegt, d. h. keine Öffnung zum Einlass
von Luft mehr zur Verfügung steht.
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Die
Luftzufuhr kann die in die Vorrichtung einströmende Luftmenge
und dadurch den Prozess der Verkohlung von Biomasse im Zufuhrbereich
steuern.
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Als
weitere Implementierungen der Luftzufuhr kann beispielsweise eine
Klappe, ein Ventil oder dergleichen verwendet werden. Auch bekannte
Belüftungsrosetten können vorgesehen werden.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist die Kühleinrichtung ein passives Wärmeübertragungsmittel,
wie eine bestimmte Form oder Oberfläche des Wandbereichs,
und/oder ein aktives Wärmeübertragungsmittel,
wie eine elektrische Kühleinrichtung.
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Der
Vorteil einer Kühleinrichtung, die durch die Form oder
Oberfläche des Wandbereichs, wie z. B. Sicken und Ausbuchtungen,
gebildet wird, liegt darin, dass die passive Kühlwirkung
der Umgebung optimal nutzbar ist (Wind, kalte oder feuchte Luft,
Regen etc.). Eine solche Form kann z. B. eine mit dem Wandbereich integral
ausgebildete bzw. thermisch gekoppelte Kühlrippe oder dergleichen
sein. Die Oberfläche des gesamten Wandbereichs des Sammelbehälters
kann z. B. im Verhältnis zu dessen Volumen maximiert sein,
um z. B. von Umgebungsluft umströmt als Kühleinrichtung
zu wirken.
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Vorzugsweise
kühlt die Kühleinrichtung das im Sammelbehälter
gesammelte feste Umwandlungsprodukt wenigstens so stark ab, dass
es gefahrlos, d. h. ohne sich bei der Entnahme selbst zu entzünden,
der Umgebungsluft ausgesetzt werden kann. Die Zündtemperatur
ist dabei die Temperatur, bei der sich das feste Umwandlungsprodukt
in Umgebungsluft gerade noch selbst entzünden würde.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist die Kühleinrichtung eine Fluidkühleinrichtung,
die vorzugsweise am Wandbereich angeordnet ist. Die Fluidkühleinrichtung
kann aktiv, z. B. mit einer Umwälzpumpe, oder passiv, z.
B. durch Konvektion, betrieben werden.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist wenigstens im Inneren der Vorrichtung unterhalb
des Wanderbetts wenigstens eine Auffangeinrichtung vorgesehen, insbesondere
eine Rinne, zum Auffangen und Ableiten eines an einer vertikalen
Seitenwand der Vorrichtung kondensierten flüssigen Umwandlungsprodukts,
insbesondere Holzessig, Wasser, Essigsäure, Aceton, Essigsäuremethylester,
Acetaldehyd oder Methanol, nach außen.
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Über
so eine Auffangeinrichtung kann neben dem festen Umwandlungsprodukt
ein flüssiges Umwandlungsprodukt entnommen werden. Bei
der Umwandlung von Biomasse können auch direkt flüssige
Umwandlungsprodukte anfallen oder zunächst gas-/dampfförmig
entstehen und dann wenigstens teilweise kondensieren; meist an kühleren
Bereichen, insbesondere den Seitenwänden des Zufuhrbereichs.
Das flüssige Umwandlungsprodukt fließt dann nach
unten und gelangt in die Auffangeinrichtung. Die Auffangeinrichtung,
z. B. eine Rinne, kann in sich so geneigt sein, dass das flüssige
Umwandlungsprodukt/-e darin zu deren tiefstliegenster Stelle fließen
und von dort abgeleitet werden kann/können.
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Vorzugsweise
ist die Rinne innerhalb der Vorrichtung unterhalb des Gitterrosts
am Trichter und/oder am Rohr vorgesehen. Die Rinne kann auch am
oder nahe dem Gitterrost vorgesehen sein. Ferner können mehrere
Rinnen an mehreren Stellen innerhalb der Umwandlungsvorrichtung
vorgesehen sein.
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Gemäß einer
Weiterbildung leitet ein Ableitmittel, insbesondere ein Siphon,
das flüssige Umwandlungsprodukt ab. Der Siphon, z. B. ein
Röhrensiphon oder Flaschensiphon, kann den Eintritt von
Gasen, z. B. Luftsauerstoff, in die Umwandlungsvorrichtung und den
Austritt eines gasförmigen Umwandlungsprodukts aus der
Umwandlungsvorrichtung verhindern und gleichzeitig das flüssige
Umwandlungsprodukt ableiten.
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So
werden Flüssigkeiten nur in eine Richtung aus der Vorrichtung
abgeleitet, wobei jedoch weder Gas von außen durch das
Ableitmittel in die Vorrichtung gelangt, noch etwaige gasförmige
Umwandlungsprodukte aus der Vorrichtung nach außen.
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Gemäß einer
Weiterbildung werden im Betrieb Abgase nach oben durch den Zufuhrbereich
abgeführt und oberhalb des Zufuhrbereichs in eine Kolonne
oder einen Destillator geleitet. Dort ist wenigstens ein flüchtiges
Umwandlungsprodukt wenigstens teilweise abscheidbar. Dazu ist ein
Ableitmittel (z. B. Siphon) vorgesehen, welches das abgeschiedene
Umwandlungsprodukt ableitet.
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So
kann die Vorrichtung sowohl feste, flüssige als auch gasförmige
bzw. flüchtige Umwandlungsprodukte aus der Umwandlung von
Biomasse extrahieren und diese austragen bzw. ableiten.
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Der
Vorteil einer Kolonne, d. h. eines Mehrfachdestillators zur Destillation
und Fraktionierung von Gasen mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen,
liegt darin, verschiedene, während der Umwandlung vorliegende
gas-/dampfförmige Umwandlungsprodukte zu destillieren und
zu fraktionieren bzw. abzuscheiden, wie z. B. Wasser, Essigsäure,
Aceton, Essigsäuremethylester, Acetaldehyd oder Methanol.
Der Vorteil eines (einfachen) Destillators liegt darin, ein flüchtiges
Gemisch aus Umwandlungsprodukten abzuscheiden, z. B. Holzessig,
der im Wesentlichen Essigsäure und Wasser umfasst.
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Gemäß einer
Weiterbildung destilliert die Kolonne oder der Destillator Holzessig.
Der Holzessig oder die darin umfasste Essigsäure kann beispielweise
einer Biogasanlage zur Methanogenese zugeführt werden.
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Ein
Verfahren zur kontinuierlichen Umwandlung von Biomasse weist gemäß Anspruch
13, die Schritte auf: Zuführen eines Wanderbetts aus Biomasse,
insbesondere Holz, in einen Zufuhrbereich; Trocknen des Wanderbetts
in einem oberen Abschnitt des Zufuhrbereichs; Entgasen des Wanderbetts
in einer Flammzone in einem mittleren Abschnitt des Zufuhrbereichs;
Verkohlen des Wanderbetts in einer Glimmzone in einem unteren Abschnitt
des Zufuhrbereichs zu einem festen Umwandlungsprodukt, insbesondere
Holzkohle; Abstützen des Wanderbetts auf einem im unteren
Bereich des Schachts angeordneten Gitterrost und Durchlassen des
festen Umwandlungsprodukts nach unten; gekennzeichnet durch Sammeln
das festen Umwandlungsprodukts in einem Sammelbehälter,
Anordnen des Sammelbehälters unter dem Gitterrost, Koppeln
des Sammelbehälters mit dem Zufuhrbereich gasdicht zur
Umgebung und Kühlen eines Wandbereichs des Sammelbehälters.
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Gemäß einer
Weiterbildung umfasst die Biomasse für das erfindungsgemäße
Verfahren zerkleinertes Wald- und/oder Plantagenholz und/oder Industrieholz
und/oder Gebrauchtholz oder Mischungen daraus.
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Gemäß einer
Weiterbildung umfasst die Biomasse für das erfindungsgemäße
Verfahren zerkleinertes begrenzt lagerungsfähiges Hackgut
hoher Feuchtigkeit, insbesondere Hackgut mit einer Feuchtigkeit
von > 30%.
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Anspruch
16 betrifft ein System mit einer erfindungsgemäßen
Umwandlungsvorrichtung, in der das Verfahren zur kontinuierlichen
Umwandlung von Biomasse gemäß Anspruch 13 durchführbar
ist und einer Biogasanlage und/oder einem Blockheizkraftwerk, wobei
ein flüssiges Umwandlungsprodukt aus der Umwandlung von
Biomasse, insbesondere Holzessig oder Essigsäure, der Biogasanlage
zuführbar ist und/oder ein festes Umwandlungsprodukt aus
der Umwandlung von Biomasse, insbesondere Holzkohle, einem Blockheizkraftwerk
zuführbar ist.
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So
eine Kombination aus Umwandlungsvorrichtung, Biogasanlage und Blockheizkraftwerk
führt zu einem flexiblen System, das unter Nutzung erneuerbarer
Energien mit hohem Wirkungsgrad Wärmeenergie und elektrischen
Strom erzeugen kann. Die Umwandlungsvorrichtung kann neben Holzkohle
für das Blockheizkraft, das seinerseits u. a. elektrischen
Strom erzeugt, auch Holzessig oder Essigsäure zur Verwendung
in einer Biogasanlage erzeugen. Die Essigsäure kann der
Biogasanlage zur Methanogenese zugeführt werden. Im Blockheizkraftwerk
ist die nahezu rußfreie Verbrennung von Holzkohle nützlich,
da insbesondere deren Brennkammer und Wärmetauscher nicht
mehr so stark verrußen und daher seltener gewartet werden
müssen.
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Die
Biogasanlage kann ebenfalls von einem Nebenprodukt der Holzkohleherstellung
profitieren, indem ihr der Holzessig oder Essigsäure zur
Steuerung der bei ihr ablaufenden chemischen Reaktionen zugeführt wird.
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Anspruch
17 betrifft eine Verwendung der erfindungsgemäßen
Umwandlungsvorrichtung zur Umwandlung von Holzhackgut in Holzkohle.
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Nachstehend
werden weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung
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2a und 2b jeweils
eine Ansicht einer Luftzufuhr und
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3 ein
Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems
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1 zeigt
eine Umwandlungsvorrichtung 100 zur kontinuierlichen Umwandlung
von Biomasse 102 mit einem senkrecht stehenden, zylinderförmigen
Zufuhrbereich 104, der einen Innenraum 106 definiert,
einer Wandung 108 und einem einen Boden bildenden Gitterrost 110 und
ein am Deckel 112 des Zufuhrbereichs 104 angeordneten
Einfülltrichter 114, der durch eine Klappe 116 gasdicht
zur Umgebung verschließbar ist. Der Einfülltrichter 114 steht
mit dem Innenraum 106 des Zufuhrbereichs 104 in
Verbindung.
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Ferner
ist am Deckel 112 eine Kolonne 118 angeordnet,
die mit dem Zufuhrbereich 104 in Verbindung steht. Unter
dem Gitterrost 110 ist ein sich nach unten verjüngender
Trichter 120 mit seiner Trichterwandung 122 mit
dem Zufuhrbereich 104 verbunden.
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Innen
an der Trichterwandung 122 ist eine umlaufende Auffangrinne 124 angeordnet.
Sie ist in sich so geneigt, dass sie eine tiefste Stelle 126 hat.
An dieser tiefsten Stelle 126 führt ein Leitung
durch die Trichterwandung 122 nach außen zu einem
Siphon 128.
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An
das untere enge Ende des Trichters 120 ist eine weiter
nach unten führende Rohrleitung 130 angeschlossen.
Die Rohrleitung 130 hat eine Rohrwandung 132,
in die auf halber Höhe von einer Luftzufuhr 134 eingesetzt
ist. An die Rohrleitung 130 schließt nach unten ein
quaderförmiger Sammelbehälter 136 an,
der entfernbar und gasdicht von der Umgebung mit der Rohrleitung 130 koppelbar
ist. Stützen 138, von den zwei in 1 sichtbar
sind, tragen die Umwandlungsvorrichtung 100. Wandbereiche
des Sammelbehälters 136 sind mit Kühlrippen 160 versehen.
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Durch
den Einfülltrichter 114 gelangt Biomasse 102,
z. B. Holz, Holzpellets, Holzhackschnitzel oder andere kohlenstoffhaltige
Ausgangsprodukte, kontinuierlich oder chargenweise in den Innenraum 106.
Beim Anfahren wird die Vorrichtung zu etwa ¾ mit Biomasse 102 gefüllt,
die dann entzündet wird. Hat die Biomasse 102 eine
niedrige Schüttdichte, wie z. B. Hobelspäne oder
Stroh (z. B. Schüttdichte von 100 kg/m3),
so wird die Biomasse 102 durch eine Presse gepresst, dann
durch den Einfülltrichter 114 zugeführt
und der Innenraum 106 nahezu vollständig gefüllt.
Im eingefahrenen Betrieb weist der Zufuhrbereich 104 drei
Abschnitte auf: einen oberer Abschnitt 140, in der die
Biomasse 102 durch aufsteigende warme Dämpfe und
Gase 144 im Zufuhrbereich 104 getrocknet wird.
Unter dem oberen Abschnitt 140 schließt ein mittlerer
Abschnitt 142 an, eine Flammzone, in der die Dämpfe,
z. B. Holzdämpfe bzw. -gase 144 aus der Biomasse
entweichen und teilweise an der von unten durch die Luftzufuhr 134 einströmenden
Luft verbrennen. Unter dem mittleren Abschnitt 142 schließt
ein unterer Abschnitt 146 an, eine Glimmzone, in der die
Temperatur durch einströmende Luft durch die gesteuerten
Luftzufuhr 134 auf eine Temperatur von 500–600°C
reguliert wird und in der weiter in der Biomasse vorhandene Produkte
verbrannt und/oder verdampft werden, wobei dabei im Wesentlichen
ein Kohlenstoffkonzentrat 158, z. B. Holzkohle, übrigbleibt,
das so bröckelig ist, dass er durch den Gitterrost 110 fällt.
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Der
Kohlenstoff 158 fällt durch den Druck der darüber
befindlichen und kontinuierlich nachrückenden Biomasse 102 sowie
durch die Schwerkraft bedingt durch den Gitterrost 110 hindurch. Öffnungen
des Gitterrosts 110 sind verstellbar ausgeführt,
sodass die Kohlengröße bzw. die Fließrate
der Biomasse 102 und des Kohlenstoffs 158 durch
die Größe der Öffnungen steuerbar ist.
Kleine Öffnungen mit etwa 5 mm lichter Weite eignen sich
z. B. für Kohle aus P16A Holzhackschnitzeln (s. Tabelle
1). Große Öffnungen mit einer lichten Weite von
etwa 10 mm z. B. für Kohle aus P45A Holzhackschnitzeln
(s. Tabelle 1). Der Kohlenstoff 158 fällt aufgrund
der Schwerkraft durch den Trichter 120 und die Rohrleitung 130 direkt
in den Sammelbehälter 136. Ist der Sammelbehälter 136 voll,
wird er gegen einen anderen leeren Sammelbehälter (nicht
gezeigt) ausgetauscht.
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Die
in 1 gezeigte Luftzufuhr 134 in der Rohrleitung 130 steuert
die Zufuhr von Luft bzw. Sauerstoff in den Innenraum 106.
Durch die konvektiv erzeugte Gasströmung nach oben im Zufuhrbereich 104 wird
durch die geöffnete Luftzufuhr 134 Umgebungsluft
angesaugt und durch die Rohrleitung 130 und den Trichter 120 nach
oben in den Innenraum 160 gezogen. In den Sammelbehälter 136 gelangt
keine Luft, da er selbst gasdicht zur Umgebung ausgebildet und gasdicht
zur Umgebung mit der Rohrleitung 130 gekoppelt ist und
daher kein Zug oder Kamineffekt entstehen kann, der Umgebungsluft
nach unten in den Sammelbehälter 136 fördern könnte.
Die Holzkohle 158 bzw. der Kohlenstoff wird also im Sammelbehälter
weitgehend unter Luftabschluss gekühlt. Dadurch klingt
der Verkohlungsprozess im Sammelbehälter schnell ab.
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Teilweise
kondensieren die bei der Umwandlung entstehenden gasförmigen
Umwandlungsprodukte 144 an der Wandung 108 und
fließen gemeinsam mit anderen flüssigen Umwandlungsprodukten 156 (gepunktete
Linien) entlang der Wandung 108 aufgrund der Schwerkraft
nach unten, durch den Gitterrost 110 hindurch und von dort
im oberen Bereich des Trichters 120 in die Rinne 124.
Dort fließen alle flüssigen Umwandlungsprodukte 156 zur
tiefsten Stelle 126 und werden von dort über den
Siphon 128 aus der Umwandlungsvorrichtung 100 abgeleitet.
Im Siphon 128 stehende Flüssigkeit bildet einen
gasdichten Verschluss zwischen Umgebung und dem Innenraum des Trichters 120.
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Der
Sammelbehälter 136 ist von lamellenartigen Kühlrippen 160 umgeben,
die an Wandbereichen des Sammelbehälters 136 ausgebildet
sind. Die Kühlrippen 160 vergrößern
die Wandoberfläche, die effektiv mit der Umgebung in Kontakt
steht. Da der Sammelbehälter 136 heiße
Kohlestücke 158 sammelt, wird die in ihm vorhandene
Wärme über die Wandbereiche und die Kühlrippen 160 an
die Umgebung abgegeben.
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Dämpfe,
bzw. flüchtige Umwandlungsprodukte 144 steigen
teilweise im Innenraum 106 mit den Abgasen weiter nach
oben in die Kolonne 118 und werden dort zum Teil abgeschieden
und zu Stoffen 148–154 fraktioniert (Anzahl
beispielhaft). Die fraktionierten Stoffe 148–154 werden
jeweils über Siphons (nicht gezeigt) aus der Kolonne 118 abgeleitet.
Die so gereinigten Restabgase treten aus der Kolonne 118 aus
und werden in die Umgebung abgegeben oder ggf. weiter behandelt.
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Als
Biomasse
102 können alle Arten von Holzhackschnitzel
eingesetzt werden. Die Herkunft, Handelsform und Eigenschaften von
Holzhackschnitzeln sind in der
DIN prEN 14961-1:2009 bzw.
der bisher üblichen österreichischen
Norm ÖNORM
M 7133 klassifiziert, siehe Tabellen 1 und 2. Tabelle 1: Holzhackschnitzelklassen-Korngrößenverteilung,
gemäß DIN prEN 14961-1:2009
| Klasse | Massenanteil
von mindestens 75% im Hauptanteil | Feingutanteil, Massenanteil in
% (< 3,15 mm) | Grobanteil
(Massenanteil in %), Maximallänge der Partikel, mm |
| P16A | 3,15 ≤ P ≤ 16
mm | ≤ 12% | ≤ 3% > 16 mm und alle < 31,5 mm |
| P16B | 3,15 ≤ P ≤ 16
mm | ≤ 12% | ≤ 3% > 45 mm und alle < 120 mm |
| P45A | 8 ≤ P ≤ 45
mm | ≤ 8% | ≤ 6% > 63 mm und höchstens 3,5% > 100 mm, alle < 120 mm |
| P45B | 8 ≤ P ≤ 45
mm | ≤ 8% | ≤ 6% > 63 mm und höchstens 3,5% > 100 mm, alle < 350 mm |
| P63 | 8 ≤ P ≤ 63
mm | ≤ 6% | < 6% > 100 mm und alle < 350 mm |
| P100 | 16 ≤ P ≤ 100
mm | ≤ 4% | ≤ 6% > 200 mm und alle < 350 mm |
Tabelle 2: Wassergehalt gemäß DIN
prEN 14961-1:2009
| Klasse | Grenzwert
(Wassergehalt in %) | Bezeichnung |
| M10 | ≤ 10% | Getrocknet |
| M15 | ≤ 15% |
| M20 | ≤ 20% |
| M25 | ≤ 25% |
| M30 | ≤ 30% | Geeignet für die Lagerung |
| M35 | ≤ 35% |
| M40 | ≤ 40% | Begrenzt
lagerungsfähig |
| M45 | ≤ 45% | - |
| M50 | ≤ 50% | - |
| M55 | ≤ 55% | - |
| M55+ | > 55% | - |
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Die
Umwandlungsvorrichtung 100 wandelt sowohl kleine und trockene
Hackschnitzel, d. h. solche der Klassen P16A bis P45A bzw. M10 bis
M30, in Holzkohle um als auch große und feuchte Hackschnitzel,
d. h. solche der Klassen P45B bis P100 bzw. M35 bis M55 oder M55+.
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Da
bei der Umwandlung im Zufuhrbereich 104 gleichzeitig eine
schnelle Trocknung der Hackschnitzel erfolgt, ist der anfängliche
Wassergehalt bzw. die Feuchtigkeit der Hackschnitzel nachrangig.
Die Form (z. B. mit Feinanteilen, Grünanteilen, Nadel-
und Blattanteilen) und Größe (z. B. P63, P100)
der in der Umwandlungsvorrichtung 100 umzuwandelnden Hackschnitzel
ist – sofern der Einfülltrichter 114 und
der Innenraum 106 groß genug sind – nachrangig,
da die daraus hergestellte Holzkohle beispielsweise gemahlen und
zu Holzkohlebriketts gepresst, unabhängig von der Ausgangsform
und -größe der Hackschnitzel ist.
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2a zeigt
eine perspektivische Explosionszeichnung einer Luftzufuhr 200.
Die Luftzufuhr 200 ist einer Rohrleitung 201 angeordnet
und durch zwei passend ineinander angeordnete Rohrstücke 202, 204 ausgebildet,
die jeweils in Ihrer Seitenwand Längsschlitze 206 aufweisen.
Das innenliegende Rohrstück 202 ist am von der
Rohrleitung 201 abgewandten Ende durch einen Deckel 207 verschlossen.
Die der Rohrleitung 201 zugewandten Enden der Rohrstücke 202, 204 sind
offen.
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Das
innenliegende Rohrstück 202 kann relative zum äußeren
Rohrstück 204 so verdreht werden, dass die Längsschlitze 206 beider
Rohrstücke 202, 204 miteinander fluchten,
oder so, dass die Zwischenräume zwischen den Längsschlitzen 206 eines
Rohrstücks 202, 204 die des anderen teilweise
oder ganz überdecken.
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Alternativ
oder zusätzlich kann dass innere Rohrstück 202 relativ
zum äußeren Rohrstück 206 in Längsrichtung
verschoben werden. Auch dadurch können die Längsschlitze 202 der
beiden Rohrleitungen 202, 206 miteinander gefluchtet
werden oder durch die Zwischenräume zwischen den Längsschlitzen 202 des jeweils
anderen Rohrstücks 202, 204 abgedeckt
werden.
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Durch
das Drehen und Verschieben des inneren Rohrstücks 202 werden
so der effektive Öffnungsquerschnitt zur Umgebung eingestellt
und kann die in die Umwandlungsvorrichtung eingesaugte Luftmenge gesteuert.
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Zum
Drehen des innenliegenden Rohrstücks 202 kann
ein Betätigungshebel (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Außerdem
kann das innere Rohrstück an der Rohrleitung 201 angeordnet
sein, und das äußere Rohrstück um das
innere herum verdrehbar und verschiebbar angeordnet sein. Der Deckel 207 ist
dementsprechend dann am äußeren Rohrstück
an dem der Rohrleitung 201 abgewandeten Ende angeordnet.
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2b zeigt
eine weitere Luftzufuhr 208 in einer Draufsicht. Die Luftzufuhr 208 ist
als Platte 210 mit radial angeordneten Schlitzen 212 ausgelegt.
Die Platte 210 ist in der Rohrleitung 211 angeordnet.
Hinter der Platte 210 ist eine Verschlussplatte 214 angeordnet,
die drehbar zur Platte 210 gelagert ist. Die Verschlussplatte 214 liegt
flächig an der Platte 210 an und weist einen Drehknauf 216 auf,
der von hinten durch die Platte 210 hindurch auf die Vorderseite
der Platte 210 führt, wie in 2 gezeigt.
Die Verschlussplatte 214 hat die gleichen Schlitze wie
die Platte 210. In einer bestimmten Drehstellung der Verschlussplatte 214 relativ
zur Platte 210 fluchten die Längsschlitze Platten
miteinander, sodass eine maximale Öffnung der Luftzufuhr
entsteht und viel Luft in die Umwandlungsvorrichtung 100 eingesaugt
werden kann. In einer anderen Drehstellung der Verschlussplatte 214 überdecken
Zwischenräume zwischen den Schlitzen 212 der Platten 210, 214 gegenseitig
ihre Schlitze 212 teilweise oder ganz, sodass wenig oder
keine Luft zugeführt wird. In einem Bereich zwischen den
genannten beiden Drehstellungen ist die Öffnung zur Luftzufuhr
variabel. Über den wirksamen Öffnungsquerschnitt
wird die in Umwandlungsvorrichtung 100 einströmende
Luftmenge gesteuert. Die Luftzufuhr 134 kann neben der
erläuterten Anordnung in der Rohrleitung 130, 201, 211 auch
an anderen geeigneten Stellen in der Umwandlungsvorrichtung 100 vorgesehen
werden, z. B. im Trichter 120 oder in der Wandung 108. Es
können auch an mehreren Stellen eine Luftzufuhr vorgesehen
werden.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems 300.
In der Umwandlungsvorrichtung 302 wird Biomasse 304 in
feste, flüssige und gasförmige Produkte umgewandelt,
darunter Holzkohle 306 und Holzessig 308. Mit
der Holzkohle 308 wird ein Blockheizkraftwerk 310 betrieben,
das daraus elektrische und/oder Wärmeenergie 312 erzeugt.
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Der
Holzessig 308 wird in einer Biogasanlage 314 zur
Methanogenese genutzt. Die Biogasanlage 314 erzeugt Biogas 316.
Das Biogas 316 kann neben der Holzkohle 308 im
Blockheizkraftwerk 310 verfeuert werden und ebenfalls zur
Erzeugung von elektrischer Energie 312 dienen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005038135
B3 [0003]
- - DE 3517972 A1 [0004, 0010]
- - EP 1473351 A1 [0005, 0010]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN preEN
14961-1:2009 [0012]
- - DIN prEN 14961-1:2009 [0072]
- - Norm ÖNORM M 7133 [0072]