-
Aufgrund der Verknappung fossiler Rohstoffe und des verstärkten Treibhauseffektes werden regenerative Energien und insbesondere die Verbrennung von Biomasse immer stärker nachgefragt. Dabei ist die direkte Verbrennung in den Fällen keine akzeptable Lösung, wenn die Biomasse wie zum Beispiel Holz mit hoher Feuchte anfallen. Dies verringert den Heizwert und kann bei der Verbrennung zu erhöhten Emissionen beispielsweise von Kohlenmonoxid führen.
-
Deshalb wird insbesondere Holz vor der Verbrennung häufig getrocknet. Wenn beispielsweise nicht das Kernholz der Stämme verbrannt wird, sondern Astwerk und ähnliche Stoffe, kann deren Feuchte über 50% betragen kann. Dieses Material wird in der Regel zu Holzhackschnitzeln zerkleinert. Häufig wird die Biomasse direkt an der Anfallstelle einige Monate gelagert, damit sie austrocknet, und dennoch wird keine niedrige Endfeuchte erreicht. Häufig ist die Trocknung vor Ort nicht möglich, weil die entsprechenden Lagerflächen fehlen. Bei der Trocknung durch Lagerung treten mikrobiologische Abbauprozesse auf, die zu Stoffverlusten der Biomasse führen. Dabei breiten sich Schimmelpilze aus, die eine gesundheitliche Belastung für jeden darstellt, der mit der im offenen Prozess getrockneten Biomasse (Trocknung durch Lagerung vor Ort) umgeht.
-
Es erscheint nahe liegend, die Wärme von Abgasen aus industriellen Prozessen zur Trocknung von Biomasse zu nutzen. Voraussetzung ist, dass die Abwärme der Abgase mit einer Temperatur oberhalb des Wasserdampftaupunktes zur Verfügung steht.
-
Sofern das Abgas aus Rauchgas von industriellen Verbrennungsprozessen besteht, eröffnet sich ein weiterer Vorteil: Wegen des niedrigen Restsauerstoffanteils kann auf einen aufwändigen Brand- und Explosionsschutz verzichtet werden. Daher wird neben vorgewärmter Verbrennungsluft auch Rauchgas in vielen Kohlekraftwerken mit Staubfeuerung genutzt, um die Kohle zu trocknen und so weit vorzuwärmen, dass sie sich leicht entzündet. In diesem Fall ist eine hohe Endtemperatur des zu trocknenden Gutes erwünscht. Rauchgas wird aus dem Feuerraum mit Temperaturen um 1000°C in die Kohlemühlen geleitet, wo es den Brennstoff trocknet und vorwärmt. Anschließend wird die aufgewärmte Mischung von Kohle und Rauchgas zurück in die Brennkammer geblasen.
-
Wenn anstatt von Kohle Biomasse getrocknet wird, stellt sich die Situation anders dar. Hier kann es vorteilhaft sein, die Trocknungstemperatur so niedrig zu halten, dass sich die zu trocknende Biomasse kaum zersetzt. Die Biomasse behält ihre natürliche Struktur, was wichtig für Qualitätseigenschaften bei einer nachgeschaltete Verarbeitung zu Brennstoffen ist (z. B. Holzpellets). Das bei der Trocknung entstehende Abgas kann ohne Geruchsprobleme emittiert werden und muss nicht zur Emissionsminderung erneut einer Verbrennung zugeführt werden. Damit wird es in vielen Fällen sinnvoll, Niedertemperaturabwärme zu nutzen.
-
Rauchgas mit einer Temperatur über dem Wasserdampftaupunkt fällt in Feuerungen an, welche als letzten Schritt keine Rauchgaswäsche besitzen. Beispielsweise wird in der Rauchgasreinigung von Müllverbrennungsanlagen regelmäßig als letzter Schritt eine katalytische Reduktion von Stickoxiden durchgeführt (SCR-Verfahren), hinter der das gereinigte Rauchgas mit etwa 150°C über einen Kamin emittiert wird. Kohlefeuerungen, bei denen eine katalytische Entstickung nachgeschaltet ist, emittieren ihr Rauchgas gleichfalls bei Temperaturen über 100°C. Das Gleiche gilt für industrielle Feuerungen und Gasturbinen, welche mit Erdgas betrieben werden. Bei ihnen ist in der Regel keine Rauchgasreinigung erforderlich. Die Abwärme wird zwar weitgehend zur Betriebsinternen Vorwärmung (z. B. Speisewasser oder Verbrennungsluft) verwendet, Eine weitere Nutzung der Niedrigtemperaturrestwärme für Fernheizungsnetze ist aber oft nicht möglich, weil entweder keine Abnahmestellen in der Nähe vorhanden sind oder weil eine wirtschaftliche Situation nicht gegeben ist (Abwärmenutzung nur in den Wintermonaten). Insgesamt stehen an vielen Stellen in großen Mengen Rauchgase mit Wasserdampftaupunkten von 40°C bis 80°C und Emissionstemperaturen von etwa 100°C bis etwa 180°C zur Verfügung, die heute ungenutzt in die Atmosphäre abgeleitet werden.
-
Schon bisher wird Niedertemperaturabwärme industrieller Prozesse für Trocknungsprozesse genutzt. Beispielsweise erhitzt man Wasser mit Rauchgasabwärme, leitet dies zu einem Bandtrockner und produziert dort in einem Wärmetauscher Heißluft, welche durch das zu trocknende Gut geleitet wird. Diese Verfahrensweise ist technisch aufwändig. Zudem ist der thermische Wirkungsgrad niedrig. Allein in der Abluft des Trockners kann die Hälfte der zur Verfügung stehenden Wärme verloren gehen.
-
Deshalb erscheint es nahe liegend, das Rauchgas direkt durch die zu trocknende Biomasse zu leiten. Dennoch haben sich derartige Verfahren aus verschiedenen Gründen noch nicht durchgesetzt. Zum einen fürchten die Betreiber der Anlagen, aus denen das Rauchgas zu Trocknungsprozesse verwendet werden kann, also von Müllverbrennungen, Kohlekraftwerken oder anderen Verbrennungsanlagen, dass es durch einen Trockner im Rauchgasweg zu Störungen ihrer Prozesse kommen könnte, beispielsweise zu einem gefährlich hohen Druckverlust, wenn sich der Trockner verstopfen sollte. Zum anderen können Störungen im vorgelagerten Feuerungsprozess negative Auswirkungen auf die Trocknung haben. Eine Erhöhung des Sauerstoffgehaltes im Rauchgas kann beispielsweise zur Entzündung der Biomasse im Trockner führen.
-
Von großer Bedeutung ist, dass die Biomasse schonend getrocknet werden muss. Wenn das Rauchgas zu heiß ist, kann es zu störenden Geruchsemissionen, eventuell auch zu Verklebungen oder trotz des niedrigen Sauerstoffgehaltes zu einer Entzündung kommen. Durch thermische Zersetzung kann die Qualität der zu trocknenden Biomasse verschlechtert werden. Beispielsweise können zu hohe Trocknungstemperaturen den Pelletisierungsprozess und die Qualität von Holzpellets beeinträchtigen. Je nach den Anforderungen an Emissionsvermeidung und Produktqualität, sowie an die Feuchte der eingesetzten Biomasse kann die Temperatur vor der Trocknung zwischen 70°C und 130°C liegen.
-
Gesucht wird deshalb ein Verfahren, welches bei exakter Temperatursteuerung mit einem hohen thermischen Wirkungsgrad die oberhalb des Taupunktes in Rauchgasen vorhandene Wärme für die Trocknung von Biomasse nutzt. Dabei soll das bei der Trocknung entstehende Abgas gegenüber dem zugeführten Rauchgas keine zusätzlichen Maßnahmen zur Minderung der Emissionen nach den Regelungen beispielsweise der Europäischen Union erforderlich machen. Das Verfahren soll zudem die Selbstentzündung der Biomasse sicher ausschließen und den Prozess, aus dem das Rauchgas stammt, in keiner Weise sicherheitstechnisch beeinträchtigen.
-
Dies gelingt durch die vorliegende Erfindung. Bei ihr wird Rauchgas oberhalb seines Wasserdampftaupunktes durch das zu trocknende Material geleitet, wobei das Rauchgas aus dem Rauchgaskanal der Verbrennungsanlage in einen Nebenstrom abgezogen wird und durch Beimischung von wasserdampfangereichertem Rauchgas des Trocknerabstroms auf eine Temperatur eingestellt wird, bei der sich die Biomasse noch nicht thermisch zersetzt. Das Rauchgas wird in der Regel kurz vor dem Kamin oder sogar aus dem Kamin abgesaugt, wo es sich gegenüber der Atmosphäre kaum im Überdruckbereich, häufig sogar unter leichtem Unterdruck befindet. Zur Absaugung wird dann ein Gasförderorgan benötigt. Häufig wird es ein Saugzugventilator sein. Es können jedoch auch andere Förderorgane eingesetzt werden. Wenn im Folgenden von einem Ventilator gesprochen wird, ist damit jede Art, gegebenenfalls auch Anzahl von Gasförderorganen gemeint. Der Ventilator kann sowohl vor wie hinter dem Trockner gesetzt werden. Vorteilhaft ist häufig, ihn hinter den Trockner zu positionieren, da damit ein Rauchgasaustritt aus dem Trockner vermieden werden kann.
-
Falls der Ventilator der Verbrennung, aus der das Rauchgas stammt, noch Leistungsreserven besitzt, kann auch er genutzt werden, um den Druckverlust des Trockners zu überwinden. Dann muss der Hauptrauchgasweg so weit gedrosselt werden, dass die geforderte Menge Rauchgas zum Trockner gerät.
-
Es sind auch andere Entnahmestellen auf dem Rauchgasweg möglich. Beispielsweise kann Rauchgas in Kohlekraftwerken hinter der Wärmerückgewinnung und vor der Rauchgaswäsche ausgeschleust werden und anschließend in die Wäsche zurückgeleitet werden. In diesem Fall enthält das Rauchgas noch hohe Konzentrationen an Schwefeldioxid, welches von Biomassen wie Holz oder Stroh kaum adsorbiert wird. Allerdings muss ein Trockner eingesetzt werden, welcher nur wenig Staub produziert, da sonst die Rauchgaswäsche negativ beeinflusst werden kann.
-
In einer einfachen Ausführung kann das Verfahren gemäß Skizze 1 durchgeführt werden. Rauchgas 1 mit einer Temperatur oberhalb des Wasserdampftaupunktes wird zusammen mit zurückgeführtem Trocknerabgas 7 als Teilstrom 2 in den Trockner 3 geleitet. Der Ventilator 4 saugt das Rauchgas inklusive der verdunsteten Feuchte an und führt diesen Strom 5 teilweise in das emittierte Rauchgas 6 ab. Die Menge des Recyclestroms 7 wird durch die Drehzahl des Ventilators 4 bestimmt. Diese wird so eingestellt, dass sich an der Temperaturmessung 8 die gewünschte Temperatur einstellt. Die gesamte Trocknereinheit kann bei Revisionsarbeiten durch die Armaturen 9 und 10 vom Hauptrauchgasweg abgetrennt werden.
-
Im beschriebenen Beispielsfall wird die Hauptrauchgasleitung dafür genutzt, das hinter dem Trockner austretende mit Wasserdampf stark beladene Rauchgas aufzunehmen und das gesamte Abgas nahe seines Wasserdampftaupunktes über einen einzigen Kamin zu emittieren. Dies ist eine einfache Lösung. Wenn hingegen der Trockner nicht in unmittelbarer Nähe der Rauchgasquelle liegt, mag es günstiger sein, einen separaten Kamin für das Abgas des Trockners vorzusehen. Auch kann es vorteilhaft sein, das Abgas des Trockners zur Vermeidung von Versottung im Kamin, von Tröpfchenkondensation in der Kaminfahne oder zur Überschreitung von Säuretaupunkten wieder zu erwärmen.
-
Dies ist beispielhaft in Skizze 2 dargestellt. Entsprechend der Drosselung der Klappe 9 wird ein Teilstrom des Rauchgases 1 zusammen mit aus dem Trockner 3 zurückgeführtem Gasstrom 12 über den Weg 2 in den Trockner 3 gesaugt. Das nicht abgesaugte Rauchgas 7 kann dem Kamin 17 zuströmen. Damit ist der freie Rauchgasweg ständig gesichert. Hinter dem Trockner 3 saugt der Ventilator 4 das mit Feuchtigkeit nahezu gesättigte Rauchgas an und bläst es als Gasstrom 12 durch die Klappe 11 zurück oder als Gasstrom 5 dem Kamin 13 zu. Dabei bestimmt die Solltemperatur 8 vor dem Trockner über die Stellung der Klappen 10 und 11 den Anteil zurückgeführten Gases. Über den Ventilator 14 kann heißes Rauchgas 6 zusätzlich angesaugt werden, um den Taupunkt des Gasstroms 5 anzuheben. Die Menge des zugesetzten heißen Rauchgases wird durch eine fest eingestellte Temperaturdifferenz (15 und 16) mittels der Drehzahl des Ventilators 14 geregelt.
-
Um im Rauchgas nach dem Trockner eine Temperatur oberhalb des Wasserdampftaupunktes zu gewährleisten, sind zahlreiche weitere Varianten möglich. Beispielsweise kann ein Bypass des einströmenden heißen Rauchgases außerhalb oder innerhalb des Trockners installiert werden. Auch kann die Kontaktzeit des zu trocknenden Gutes mit dem Rauchgas so eingeschränkt werden, dass sich das Gas nicht annähernd vollständig mit Feuchtigkeit sättigt. Eine weitere Möglichkeit ist, so viel heißes Rauchgas zuzuführen, dass es sich bei der Gleichgewichtsfeuchte zwischen Gas und Feststoff noch nicht in die Nähe seines Wasserdampftaupunktes abgekühlt hat. Zusätzliche Varianten ergeben sich durch Steuerungen des Saugventilators in Abhängigkeit der Restfeuchte sowie die Ein- und Austragsgeschwindigkeit der zu trocknenden Biomasse im Trockner 3.
-
Vermieden werden sollte, dass die Menge des in den Nebenstrom eingesaugten Gases die Menge des anfallenden Rauchgases übertrifft und Luft durch den Kamin zurückgesaugt wird. Dies kann durch eine Sauerstoffmessung oder auch eine Temperaturmessung im Hauptrauchgaskanal hinter der Entnahme des Nebenstroms festgestellt werden. Dementsprechend ist die Drehzahl des absaugenden Ventilators oder die Klappenstellung (Nr. 9 in den Skizzen 1 und 2) in der Entnahmeleitung des Nebenstroms einzustellen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt zahlreiche Vorteile. Gegenüber den Verfahren zur indirekten Wärmeübertragung von Rauchgasabwärme mittels erwärmter Luft ist vorteilhaft, dass keine Investitionen für Wärmetauscher erforderlich sind und keine Wärme in der Trocknerabluft verloren geht. Allen Varianten der erfindungsgemäßen Trocknung von Biomasse gemeinsam ist, dass durch die direkte Durchleitung von Rauchgas durch die Biomasse der Brand- und Explosionsschutz sehr vereinfacht werden kann und damit eine hohe Betriebssicherheit erreicht wird.
-
Indem der Trockner im Nebenstrom betrieben wird, bleibt der freie Rauchgasweg unberührt, was für die Betriebssicherheit industrieller Feuerungen eine unverzichtbare Bedingung ist. Es ist extrem wichtig, dass durch die Abwärmenutzung keine Störungen in den vorgelagerten Prozess getragen werden, aus dem das Rauchgas stammt. Wenn das Rauchgas mit einem Ventilator abgezogen wird, kann ständig der erforderliche freie Querschnitt für das gesamte Rauchgas im Hauptkanal vorgehalten werden. Wenn der Hauptkanal beispielsweise mit einer Drosselklappe eingeengt wird, um einen Teil des Rauchgases abzuzweigen, kann die Drosselung sicherheitstechnisch so verschaltet werden, dass sie falls notwendig selbsttätig aufgefahren wird.
-
Die Nebenstromfahrweise ist auch für den Trocknungsprozess günstig. Beispielsweise erlaubt sie es, den Trockner außer Betrieb zu nehmen, auch wenn der Verbrennungsprozess fortgesetzt wird und die volle Rauchgasmenge ansteht. Der Sauerstoffgehalt im Rauchgas und die Rauchgastemperatur werden üblicherweise kontinuierlich gemessen und überwacht. Falls der Sauerstoffgehalt oder die Temperatur des Rauchgases beispielsweise bei Betriebsstörungen der Feuerung unzulässig stark ansteigen, kann der Trockner zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs und der Produktqualität vom Rauchgasstrom abgetrennt werden. Für derartige Fälle kann es sinnvoll sein, das abgetrennte Trocknersystem beispielsweise mit Stickstoff zu inertisieren.
-
Die Rückführung des Trocknerabgases in die Gaseinspeisung ist gleichfalls für den Trocknungsprozess sehr vorteilhaft. Sie ermöglicht eine exakte Regelung der Temperatur des in den Trockner einströmenden Heißgases und damit einen schonenden Trocknungsprozess. Dabei kann es je nach Verfahrensart des Trockners möglich sein, die Abgasrückführung auf den Trocknungsgrad der Biomasse anzupassen. Beispielsweise gelingt dies bei Querstromführung von Gas zum Trockengut in einem Bandtrockner. Dann kann zu Beginn der Trocknung noch oberflächenfeuchtes Material mit heißerem Gas, also mit weniger Abgasrückführung, durchströmt werden, ohne dass es zu einer Überhitzung der Biomasse kommt. Später sollte das weitgehend trockene Material hingegen besonders schonend mit Gas beaufschlagt werden, welches durch einen hohen Anteil von zurückgeführtem Abgas eine niedrigere Temperatur besitzt.
