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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Reaktor zur Erzeugung eines Energieträgers aus halm- oder stückgutartiger Biomasse, insbesondere aus Stroh oder Holz, durch Torrefizierung.
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Der energetischen Nutzung insbesondere halmgutartiger Biomassen, wie beispielsweise von Stroh, als Energieträger steht aus wirtschaftlicher Sicht häufig eine für diesen Biomassetyp charakteristische geringe Energiedichte entgegen. Zur Erhöhung der massen- und volumenbezogenen Energiedichte und damit des Heizwerts des Energieträgers, zur Steigerung der Transportwürdigkeit und zur Reduzierung des Aufwands bei einem nachfolgenden Zerkleinern des Energieträgers kann die Biomasse einem milden Pyrolyseprozess unterzogen werden bei Temperaturen unterhalb von 600°C, geringen Aufheizgeschwindigkeiten von vorzugsweise weniger als 50°C/min und Reaktorverweilzeiten im Minutenbereich von vorzugsweise weniger als 60 Minuten. Ziel dieses als Torrefizierung bezeichneten Prozesses ist es, feste Biomasse für die Verbrennung oder Vergasung so aufzubereiten, dass die torrefizierte Biomasse als Energieträger verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu naturbelassenen biogenen Festbrennstoffen aufweist.
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Die Torrefizierung erfolgt im Wesentlichen unter Ausschluss von Sauerstoff, um die Oxidation von Kohlenstoff und damit verbundene Energieverluste möglichst gering zu halten. Neben einer weitgehend vollständigen Trocknung wird bei der Torrefizierung die zähe und faserartige Struktur der Biomasse verändert und der Heizwert steigt. Allerdings handelt es sich bei der Torrefizierung um einen endothermen Prozess, der eine Energiezufuhr für die Trocknung der Biomasse und für die thermochemische Spaltung organischer Verbindungen erforderlich macht. Direkt beheizte Torrefizierungsreaktoren sehen eine Wärmezufuhr durch ein heißes, sauerstoffarmes Gas vor, das eine Schüttung der zu torrefizierenden Biomassepartikel durchströmt und dadurch Wärme auf die Partikel überträgt. Daneben besteht die Möglichkeit einer indirekten Beheizung des Reaktors, wobei die Wärme über die Wände des Reaktors und teilweise auch über Reaktoreinbauten auf das zu torrefizierende Gut übertragen wird.
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Die Wärme kann aus der Verbrennung der bei der pyrolytischen Zersetzung entstehenden Gase oder aus der Verbrennung eines externen Brennstoffs stammen. Sie wird auf ein geeignetes Wärmeträgermedium übertragen, das durch den Reaktor geleitet wird. Die Bereitstellung von Wärmeenergie durch Verbrennung eines Teils der zu torrefizierenden Biomasse ist zwar grundsätzlich auch möglich, verringert jedoch wiederum die Energieeffizienz. Biomasse fällt zudem häufig mit schwankenden Wassergehalten an, so dass schwankende Energieeinträge zur Torrefizierung der Biomasse erforderlich sind.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Prozesse und Reaktoren für die Torrefizierung von Biomasse bekannt. Aus der
CA 2 656 283 A1 ist ein Verfahren und ein System zur Torrefizierung von Biomasse bekannt, bei dem ein Inertgasstrom einem Torrefizierungsreaktor zugeführt wird und dabei Wasserdampf und flüchtige organische Komponenten aufnimmt, die während der Torrefizierung freigesetzt werden. Die organischen Gaskomponenten werden verbrannt, wobei die freigesetzte Wärme für den Torrefizierungsprozess genutzt werden kann. Aus der
WO 2009/124286 A2 ist ein stationärer oder mobiler Torrefizierungsreaktor bekannt, bei dem der Torrefizierungsprozess unabhängig von einer äußeren Wärmezufuhr sein soll. Aus der
WO 2010/001137 A2 ist bekannt, zum Torrefizieren von Biomasse Mikrowellenstrahlung einzusetzen.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Prozesse und Reaktoren für die Torrefizierung von Biomasse konnten bislang keine zufriedenstellende Marktdurchdringung erreichen. Problematisch ist hier unter anderem die nicht ausreichende Bereitstellung von Wärmeenergie für den Torrefizierungsprozess. Die autotherme Torrefizierung scheitert bislang an der verfahrenstechnischen Umsetzung. Alternativ wird eine elektrische Beheizung oder die Verbrennung von Erdgas zur Bereitstellung von Wärmeenergie vorgeschlagen, was jedoch zu einer geringeren Energieeffizienz und geringerer Wirtschaftlichkeit aufgrund höherer Betriebskosten führt.
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Zudem sind die verfügbaren Prozesse und Reaktoren zumeist auf einen großtechnischen Einsatz ausgelegt. Für den kleinen und mittleren Leistungsbereich bis 250 kW ausgelegte Reaktoren weisen zumeist einen konstruktiv aufwendigen Aufbau auf und sind wartungsintensiv. Zudem erschweren zu hohe Herstellungs- und Betriebskosten solcher Reaktoren einen wirtschaftlichen Einsatz der Torrefizierung in diesem Leistungsbereich.
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In der Regel wird die torrefizierte Biomasse in einem der Torrefizierung nachgeschalteten Prozessschritt vermahlen, verdichtet und pelletiert oder brikettiert, wobei diese Prozessschritte zeitlich und räumlich entkoppelt vom vorausgegangenen Torrefizierungsschritt in separaten dem Torrefizierungsreaktor nachgeschalteten Apparaten und Anlagen erfolgt. Dies ist verfahrenstechnisch aufwendig und führt zu einer Erhöhung der Betriebskosten. Die Erzeugung von Pellets oder Briketts aus zuvor aufwendig vermahlener torrefizierter Biomasse ist in der Regel zeit- und kostenintensiv.
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Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren und einen verbesserten Reaktor zur Erzeugung eines Energieträgers aus Biomasse durch Torrefizierung vorzuschlagen, wobei die Herstellung des Energieträgers bei geringem verfahrens- und anlagentechnischen Aufwand und geringen Kosten möglich ist und der Energieträger eine hohe massen- und volumenbezogene Energiedichte und eine hohe Transportwürdigkeit aufweist. Der erfindungsgemäße Reaktor soll einen kompakten Aufbau aufweisen und insbesondere für einen Einsatz im kleinen und mittleren Leistungsbereich geeignet sein.
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Die vorgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch einen Reaktor mit den Merkmalen von Anspruch 5 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.
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Die Erfindung sieht die Erzeugung eines Energieträgers aus insbesondere halm- oder stückgutartiger Biomasse durch Torrefizierung in einem Reaktor vor, wobei der Reaktor wenigstens eine Torrefizierungszone und wenigstens eine in den Reaktor integrierte, das heißt innerhalb von einem Reaktorgehäuse des Reaktors angeordnete, nachfolgende Verdichtungszone aufweist. Die Torrefizierungszone und die Verdichtungszone sind miteinander verbunden und stehen zumindest in einem Übergangsbereich in einem offenen, das heißt steten, Gasaustausch miteinander bzw. weisen eine im Wesentlichen gleiche Gasatmosphäre im Übergangsbereich zwischen den Zonen auf.
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Die thermochemische Konversion der Biomasse erfolgt in der Torrefizierungszone. Bei der thermochemischen Konversion kommt es zur Trocknung und zur pyrolytischen Zersetzung und Versprödung der Biomasse. Eine Vorzerkleinerung der Biomasse vor der Zuführung in die Torrefizierungszone des Reaktors ist möglich. Eine Vorzerkleinerung kann mittels Schreddern, Mahlwerken oder Hammermühlen erfolgen.
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In der nachfolgenden Verdichtungszone wird die torrefizierte Biomasse auf hohem Temperaturniveau mechanisch verdichtet. Hierzu ist im Bereich der Verdichtungszone des Reaktors wenigstens eine Einrichtung zur Verdichtung der torrefizierten Biomasse, beispielsweise ein Schneckenverdichter, angeordnet. Durch die integrierte Verdichtung der torrefizierten Biomasse werden die Schüttdichte und die massen- und volumenbezogene Energiedichte des Energieträgers bereits im Reaktor erhöht, was zu einer Verfahrensvereinfachung beiträgt. Durch die Integration der Prozessschritte „Torrefizierung” und „Verdichtung” in einen gemeinsamen Reaktor lässt sich der Stellflächenbedarf verringern. Der erfindungsgemäße Reaktor zeichnet sich dabei durch eine kompakte Bauweise und damit geringe Baugröße aus. Der Reaktor kann in einen transportablen Container integriert werden, so dass ein einfacher und kostengünstiger Transport zu unterschiedlichen Aufstellungsorten möglich ist. Da die Prozessschritte „Torrefizierung” und „Verdichtung” innerhalb des Reaktors stattfinden, ist der logistische Aufwand bei der Herstellung eines Energieträgers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gering und eine kostengünstige Herstellung ist möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Reaktor können insbesondere für den kleinen und mittleren Leistungsbereich ausgelegt sein. Der Betrieb des erfindungsgemäßen Reaktors kann im Batch-Betrieb oder bei kontinuierlicher Zufuhr der Biomasse in die Torrefizierungszone erfolgen.
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Um eine im Wesentlichen sauerstofffreie oder sauerstoffarme Gasatmosphäre im Bereich der Torrefizierungszone sicherzustellen, kann eine Austrittsöffnung des Reaktors für die verdichtete torrefizierte Biomasse gasdicht verschlossen werden. Der Eintritt von Falschluft über die Austrittsöffnung in die Torrefizierungszone ist damit verringert oder unterbunden. Vorzugsweise ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass der Verschluss der Austrittsöffnung beim Verdichten durch einen Teil der verdichteten torrefizierten Biomasse gebildet wird, so dass ein möglichst geringer konvektiver Gasaustausch über die Austrittsöffnung zwischen der Umgebung und dem Reaktorinneren möglich ist. Ein Gasaustausch kann allerdings durch eine möglicherweise vorhandene offene Restporosität der verdichteten torrefizierten Biomasse möglich und im Rahmen der Erfindung zulässig sein. Hier lässt sich die offene Restporosität und damit das Restrisiko einer Gasströmung in die Torrefizierungszone durch Injektion eines Bindemittels in die torrefizierte Biomasse vor deren Verdichtung weiter reduzieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vorzugsweise eine direkte Beheizung der Torrefizierungszone mit einem Wärmeträgergas vor. Zu diesem Zweck weist der erfindungsgemäße Reaktor eine Eintrittsöffnung für ein Wärmeträgergas auf. Vorzugsweise kann der Torrefizierungszone ein Wärmeträgergas zugeführt werden, das zumindest zum Teil durch Rauchgas gebildet wird. Durch die Nutzung der Abwärme eines Rauchgasstroms kann die Notwendigkeit entfallen, Wärmeenergie durch die Verbrennung eines zusätzlichen Energieträgers bzw. Brennstoffs bereitzustellen. Insbesondere ist es nicht vorgesehen, einen Teil der Biomasse selbst zu verbrennen, um die notwendige Reaktionswärme zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Reaktor zeichnen sich im Ergebnis durch eine hohe Energieeffizienz aus und ermöglichen die Erzeugung eines Energieträgers bei geringen Betriebskosten.
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Das Rauchgas kann vorzugsweise aus der Verstromung von Biogas beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk einer Biogasanlage stammen. Landwirtschaftlich Biogasanlagen produzieren neben elektrischem Strom auch Wärme. Während der Verkauf des Stroms langfristig durch eine (feste) Vergütung gesichert ist, wird die Wärme meist nur unzureichend genutzt. Die erfindungsgemäß vorgesehene Nutzung der Abwärme des Rauchgases kann somit die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen entscheidend verbessern. Grundsätzlich kann das Rauchgas auch aus der (gasmotorischen) Verbrennung von Deponiegas-, Klärgas- oder Grubengas stammen.
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Bei möglichst stöchiometrischer Verbrennung der oben genannten Schwachgase lässt sich ein sauerstofffreies oder zumindest sauerstoffarmes Rauchgas erzeugen. Dadurch werden die Energieverluste durch Oxidation von Kohlenstoff in der Torrefizierungszone gering gehalten.
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Das der Torrefizierungszone zugeführte Wärmeträgergas reichert sich in dem erfindungsgemäßen Reaktor mit brennbaren Gasbestandteilen an, die bei der Torrefizierung freigesetzt werden. Das so erhältliche angereicherte Wärmeträgergas kann vorzugsweise vollständig einer Brennkammer zugeführt und zumindest teilweise über die Brennkammer und den Reaktor im Kreislauf geführt werden. Vorzugsweise ist die Brennkammer außerhalb von dem Reaktor als separate Baueinheit angeordnet. Grundsätzlich könnte die Brennkammer jedoch auch in den Reaktor integriert sein.
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In der Brennkammer kann das rezirkulierte mit brennbaren Pyrolysegasbestandteilen angereichte Wärmeträgergas mit Rauchgas, insbesondere aus der Biogasverbrennung, und Verbrennungsluft vermischt werden, um durch Verbrennung der brennbaren Gasbestandteile eine Temperaturerhöhung zu erreichen und den Sauerstoffgehalt zu senken. Dies führt zu einer Inertisierung des Wärmeträgergases vor dem Eintritt in die Torrefizierungszone. Ist die nutzbare Wärmemenge des Wärmeträgergases beim Austritt aus der Brennkammer zu gering, kann der Brennkammer zusätzlich ein Brenngas, wie Erdgas, zugeführt und in der Brennkammer verbrannt werden.
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Darüber hinaus ist weiter vorzugsweise vorgesehen, dass die torrefizierte Biomasse vor der Verdichtung innerhalb des Reaktors zerkleinert wird, was die anschließende Verdichtung verfahrenstechnisch vereinfacht und einen höheren Verdichtungsgrad in der Verdichtungszone zulässt. Im Übrigen kann der torrefizierten Biomasse vor der Verdichtung ein Bindemittel zugegeben werden, um eine Pelletierung oder Brikettierung der torrefizierten Biomasse im Anschluss an die Verdichtung zu vereinfachen. Die Pelletierung oder Brikettierung im Anschluss an die Verdichtung erfolgt vorzugsweise außerhalb von dem Reaktor, wobei ein aus der Austrittsöffnung des Reaktors austretender torrefizierter Biomassestrang durch eine Matrize gepresst und durch ein Abstreifmesser oder dergleichen auf die gewünschte Länge zu einzelnen Pellets oder Briketts abgeschnitten werden kann.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, dass erfindungsgemäße Verfahren und den erfindungsgemäßen Reaktor auszugestalten und weiterzubilden, wobei einerseits auf die abhängigen Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen wird. Die nachfolgend beschriebenen Aspekte und Merkmale der Erfindung können unabhängig voneinander, in einer beliebigen Kombination, aber auch jeweils im Zusammenhang mit den Oberbegriffsmerkmalen von wenigstens einem Hauptanspruch der vorliegenden Erfindung realisiert werden, auch wenn dies nicht im Einzelnen beschrieben ist. Hierbei kann jedem beschriebenen Merkmal oder Aspekt eigenerfinderische Bedeutung zukommen. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Reaktors zur Erzeugung eines Energieträgers aus halm- oder stückgutartiger Biomasse, insbesondere aus Stroh oder Holz, durch Torrefizierung;
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2 eine schematische Schnittansicht entlang der Linien A-A, B-B, C-C und D-D aus 1;
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3 schematische Querschnittsansichten entlang der Linien E-E bis I-I aus 1; und
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4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Energieträgers aus Biomasse durch Torrefizierung, wobei die Abwärme eines Rauchgases aus der Biogasverbrennung genutzt wird, um einen Teil der für die endotherme Torrefizierung erforderlichen Wärmeenergie aufzubringen.
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In 1 ist ein Reaktor 1 ausgebildet zur Erzeugung eines Energieträgers 2 aus halm- oder stückgutartiger Biomasse 3, insbesondere aus Stroh oder Holz, durch Torrefizierung der Biomasse 3 dargestellt. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Erzeugung eines Energieträgers 2 aus Biomasse 3 durch Torrefizierung, wobei der nachfolgend beschriebene Reaktor 1 zum Einsatz gelangen kann.
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Der Reaktor 1 weist wenigstens eine innerhalb von einem Reaktorgehäuse 4 angeordnete Torrefizierungszone 5 und wenigstens eine nachfolgende innerhalb von dem Reaktorgehäuse 4 angeordnete Verdichtungszone 6 auf, wobei die Torrefizierungszone 5 zur thermochemischen Konversion der Biomasse 3 und die Verdichtungszone 6 zur mechanischen Verdichtung der torrefizierten Biomasse ausgebildet ist und wobei die Torrefizierungszone 5 und die Verdichtungszone 6 miteinander verbunden sind und zumindest in einem Übergangsbereich in einem Gasaustausch miteinander stehen. Die torrefizierte Biomasse wird dabei in einem heißen Zustand der Verdichtungszone 6 zugeführt und dort verdichtet, wobei die Integration der Verdichtung in den Reaktor 1 bzw. das Reaktorgehäuse 4 zu einer verfahrenstechnischen bzw. apparativen Vereinfachung im Vergleich zu einer außerhalb des Reaktors 1 stattfindenden nachgeschalteten Verdichtung der torrefizierten Biomasse führt. Durch die Verdichtung des heißen torrefizierten Materials sinkt insbesondere der Kraft- und Energieaufwand für die Verdichtung und eine gegebenenfalls vorgesehene Zerkleinerung. Außerdem können durch die Verdichtung unter inerter Atmosphäre Entzündungen oder Staubexplosionen vermieden werden. Der Reaktor 1 zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion, einen kompakten Aufbau und eine geringe Baugröße aus, was die Verwendung in einem Container und damit die schnelle und einfache Transportierbarkeit des Reaktors 1 ermöglicht. Der einfache Aufbau führt zu einem geringen Wartungsaufwand und trägt zu einer hohen technischen Robustheit bei. Eine geringe Baugröße des Reaktors 1 macht diesen darüber hinaus geeignet insbesondere für den kleinen oder mittleren Leistungsbereich.
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Das Reaktorgehäuse 4 weist bei der dargestellten Ausführungsform einen oberen zylindrischen Gehäuseabschnitt 7 und einen darunter angeordneten trichterförmigen Gehäuseabschnitt 8 auf, wobei der obere Gehäuseabschnitt 7 die Torrefizierungszone 5 umfasst und der untere Gehäuseabschnitt 8 die Verdichtungszone 6. Zwischen der Torrefizierungszone 5 und der Verdichtungszone 6 ist im mittleren Bereich des Reaktorgehäuses 4 eine Übergangszone 9 vorgesehen, wobei die Übergangszone 9 für eine weitere thermochemische Umsetzung und/oder für eine Zerkleinerung der torrefizierten Biomasse ausgerüstet ist. Hierauf wird nachfolgend noch eingegangen.
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Der Eintrag der Biomasse 3 erfolgt am oberen Ende des Reaktors 1 über ein schematisch dargestelltes Eintragssystem 10. Bei dem Eintragsystem 10 kann es sich um eine Förderschnecke handeln, die einen gasdichten kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Eintrag der Biomasse 3 in den Reaktor 1 derart ermöglicht, dass ein konvektiver Gasaustausch durch das Eintragssystem 10 in den Reaktor 1 ausgeschlossen ist. Dadurch werden die Energieverluste bei der Torrefizierung der Biomasse 3 durch Oxidation von Kohlenstoffverbindungen minimiert. Das Reaktorgehäuse 4 ist dementsprechend ebenfalls gasdicht gegenüber der Umgebung ausgebildet.
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Der Reaktor 1 ist im Bereich des oberen Gehäuseabschnitts 7 als Etagenofen bzw. Scheibenreaktor ausgebildet und weist eine Mehrzahl von übereinander angeordneten scheibenförmigen Etagenböden 11 auf. Zwischen den Etagenböden 11 sind auf einer gemeinsamen Antriebswelle 12 angeordnete Abschiebemittel 13 bzw. Recheneinbauten für die Biomasse vorgesehen. Die Förderung der Biomasse 3 durch den Reaktor 1, deren Durchmischung und die anschließende Verdichtung in der Verdichtungszone 6 erfolgt mit lediglich einer Antriebswelle 12, was zu einer apparativen Vereinfachung beiträgt.
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Durch die Etagenböden 11 wird die Torrefizierungszone 5 in mehrere nachfolgende Torrefizierungskammern unterteilt. Die Etagenböden 11 weisen Abwurföffnungen 14 auf, die in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, so dass die Biomasse 3 beispielsweise für ca. 70 bis 90% einer Wellenumdrehung der Antriebswelle 12 auf einem Etagenboden 11 gehalten wird. Dies ist schematisch in 2 gezeigt. Die Biomasse 3 wird durch die rotierenden Abschiebemittel 13 zu den Abwurföffnungen 14 der einzelnen Etagenböden 11 geschoben und fällt über die Abwurföffnung 14 nach unten auf einen darunterliegenden Etagenboden 11. Beim Transport der Biomasse 3 durch die Torrefizierungszone 5 nimmt der Torrefizierungsgrad zu. Durch eine Veränderung der Größe und Anordnung der Abwurföffnungen 14, der Größe der Etagenböden 11 und der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 12 und damit der Abschiebemittel 13 lässt sich die Verweilzeit der Biomasse 3 in der Torrefizierungszone 5 bedarfsweise anpassen, wobei die Verweilzeit im Etagenreaktorteil bzw. in der Torrefizierungszone 5 vorzugsweise zwischen 10 bis 50 Minuten, insbesondere zwischen 20 und 40 Minuten, betragen kann.
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Der obere Gehäuseabschnitt 7 weist eine Eintrittsöffnung 14 für ein sauerstoffarmes Wärmeträgergas 15 auf, das der Torrefizierungszone 5 zugeführt wird und zur direkten Beheizung des Reaktors 1 vorgesehen ist. Das Wärmeträgergas 1 durchströmt in der Torrefizierungszone 5 die dort angehäufte Biomasse 3 und es kommt zur Wärmeübertragung vom Wärmeträgergas 5 auf die Biomasse 3. Die Zufuhr des Wärmeträgergases 15 erfolgt am unteren Ende der Torrefizierungszone 5, wobei das Wärmeträgergas 15 im Gegenstrom zur Biomasse 3 nach oben aufsteigt. Dadurch wird eine gute Durchmischung der Biomasse 3 mit dem Wärmeträgergas 15 und ein guter Wärmeübergang vom Wärmeträgergas 15 auf die Biomasse 3 gewährleistet. Der Sauerstoffgehalt des Wärmeträgergases 15 beträgt vorzugsweise weniger als 15 Vol.-%, insbesondere weniger als 9 Vol.-%, so dass es in der Torrefizierungszone 5 nur in geringem Maße zur Oxidation von Kohlenstoffverbindungen kommt.
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Bei der thermochemischen Konversion der Biomasse 3 werden Torrefizierungs- bzw. Pyrolysegase freigesetzt, die zu einer Anreicherung des Wärmeträgergases 15 mit brennbaren Bestandteilen in der Torrefizierungszone 5 führen. Angereichertes Wärmeträgergas 16 verlässt den Reaktor 1 am oberen Ende der Torrefizierungszone 5 über eine Austrittsöffnung 17 und kann gemäß 4 einer Brennkammer 18 zugeführt werden.
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Die Temperatur des Wärmeträgergases 15 beim Eintritt in die Torrefizierungszone 5 beträgt vorzugsweise zwischen 200°C bis 550°C, insbesondere zwischen 250°C bis 350°C. Die Temperatur des angereicherten Wärmeträgergases 16 am Austritt aus dem Reaktor 1 kann zwischen 100°C bis 400°C, insbesondere zwischen 120°C bis 300°C, betragen. Die Biomasse kann eine Temperatur am Eintritt in den Reaktor 1 von ca. 20°C (Umgebungstemperatur) aufweisen.
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In einem oberen kegelstumpfförmigen Teilabschnitt 19 des unteren Gehäuseabschnitts 8 kann eine Mehrzahl von übereinander angeordneten weiteren Etagenböden 20 und zwischen den Etagenböden 20 auf der Antriebswelle 12 angeordnete weitere Abschiebemittel 21 bzw. weitere Recheneinbauten und/oder Zerkleinerungsmittel 22 für die torrefizierte Biomasse vorgesehen sein. Dis ist schematisch in den 1 und 3 dargestellt. Die weiteren Etagenböden 20 weisen ebenfalls Abwurföffnungen auf, um den Transport des torrefizierten und zerkleinerten Materials zur Verdichtungszone 6 zu ermöglichen. Durch die weiteren Etagenböden 20 und die weiteren Abschiebemittel 21 und/oder Zerkleinerungsmittel 22 wird eine Übergangszone 9 geschaffen, die zu einer weiteren thermochemischen Konversion der bereits torrefizierten Biomasse aus der Torrefizierungszone 5 und/oder für eine der Verdichtung vorgeschaltete Zerkleinerung des torrefizierten Materials ausgerüstet sein kann. Die Übergangszone 9 muss jedoch nicht zwingend vorgesehen sein.
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Die Temperatur der torrefizierten Biomasse im Bereich zwischen den Torrefizierungszone 5 und der Übergangszone 9 beträgt vorzugsweise zwischen 200°C bis 550°C, insbesondere zwischen 250°C bis 350°C. Die Temperatur der torrefizierten Biomasse am Ende der Übergangszone 9 vor dem Eintritt in die Verdichtungszone 6 beträgt vorzugsweise zwischen 150°C bis 300°C, insbesondere zwischen 200°C bis 250°C.
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Der Durchmesser der nachfolgenden weiteren Etagenböden 20 nimmt aufgrund der Kegelstumpfform des Teilabschnitts 19 des Gehäuseteils 4 in axialer Richtung der Antriebswelle 12 nach unten hin ab. Die Kegelstumpfform begünstigt den Transport des torrefizierten Materials zur Verdichtungszone und dessen Zerkleinerung. Im Übrigen nimmt die Höhe der zwischen den weiteren Etagenböden 20 gebildeten Kammern nach unten hin ab. Die Bestückung der Übergangszone 9 mit speziellen Einbauten, wie Messern oder Brechern, kann optional vorgesehen sein, um eine Vorzerkleinerung der torrefizierten Biomasse vor deren Verdichtung zu erreichen. Es können Leitbleche und Laufmesser derart dimensioniert und angeordnet sein, dass eine ausreichende Verweilzeit in der Übergangszone 9 gewährleistet ist.
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Unterhalb von der Übergangszone 9 kann bedarfsweise eine Zugabeöffnung 23 vorgesehen sein, über die ein Bindemittel zugegeben werden kann, sofern das torrefizierte Material zu Formkörpern, wie Briketts und Pellets, gepresst werden soll und nicht bereits die natürliche Bindefähigkeit des torrefizierten Materials für eine ausreichende Festigkeit der Formkörper ausreicht. Als Bindemittel kann beispielsweise Melasse eingesetzt werden.
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In einem unteren rohrförmigen Teilabschnitt 24 des unteren Gehäuseabschnitts 8 ist wenigstens eine Einrichtung zur Verdichtung der torrefizierten Biomasse vorgesehen. Bei der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die Antriebswelle 12 mit einem unteren ein Schneckengewinde 25 aufweisenden Ende 26 bis in den rohrförmigen Teilabschnitt 24 und erfüllt dort die Funktion einer Förder- und Verdichtungsschnecke. Die Antriebswelle 12 erfüllt somit eine Doppelfunktion, nämlich den Materialtransport der (torrefizierten) Biomasse im Reaktor 1 und die Verdichtung der versprödeten torrefizierten Biomasse. Der Einzugsbereich 27 des Schneckengewindes 25 befindet sich bei der gezeigten Ausführungsform unterhalb der Übergangszone 9, so dass der Verdichtungszone 6 ein bereits zerkleinertes torrefiziertes Material zugeführt wird.
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Der zwischen der Außenfläche des Schneckengewindes 25 und der Innenfläche des unteren rohrförmigen Teilabschnitts 24 gebildete Ringspalt nimmt nach unten vorzugsweise derart ab, dass eine Austrittsöffnung 28 des Reaktors 1 für die verdichtete torrefizierte Biomasse gasdicht verschließbar ist. Der Verschluss wird durch die verdichtete torrefizierte Biomasse selbst gebildet, wobei durch die verdichtete torrefizierte Biomasse ein konvektiver Gasaustausch zwischen der Umgebung und der Verdichtungszone 6 über die Austrittsöffnung 28 behindert oder unterbunden wird. Dadurch kann ein Falschlufteintritt über die Austrittsöffnung 28 in den Bereich der Torrefizierungszone 5 weitgehend ausgeschlossen werden, was dazu beiträgt, dass Energieverluste durch die Oxidation von Kohlenstoff in der Torrefizierungszone 5 minimiert sind.
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Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Antriebswelle 12 einen nach unten zunehmenden Durchmesser bei vorzugsweise gleichbleibendem Innendurchmesser des unteren rohrförmigen Abschnitts 24 auf. Dadurch wird das torrefizierte Material beim Transport nach unten zur Austrittsöffnung 28 zunehmend verdichtet und noch weiter zerkleinert. Durch ein in Richtung zum Produktaustritt konisches Reaktorgehäuse 4 und dass in 1 gezeigte Schneckendesign verringert sich das Reaktorvolumen in Richtung zum Produktaustritt, was vorteilhafte Verdichtungs- und Zerkleinerungsvoraussetzungen schafft. Am Materialeintritt ist das Reaktorgehäuse 4 entsprechend weiter ausgebildet, wodurch dem zu torrefizierenden Gut ausreichend Raum gegeben wird, um gut durchmischt und durchströmt zu werden.
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Unterhalb von der Austragsöffnung 28 können Mittel zur Pelletierung oder Brikettierung und/oder zur weiteren Zerkleinerung der verdichteten torrefizierten Biomasse vorgesehen sein. Ist eine Gegendruckplatte 30 vorgesehen, kommt es zu einer weiteren Verdichtung der torrefizierten Biomasse am Reaktorausgang durch das Zusammenspiel der im unteren Bereich des Reaktors 1 gebildeten Fördereinrichtung und der Gegendruckplatte 30. Wird das torrefizierte Material auf eine Gegendruckplatte 30 gepresst, erfolgt hierdurch auch eine weitere Zerkleinerung. In der Verdichtungszone 6 wird vorzugsweise ausreichend Druck aufgebaut, um das torrefizierte Material durch eine optional vorgesehene Matrize 29 zur Pelletierung oder Brikettierung zu pressen. Das austretende Produkt kann zyklisch durch einen waagerecht schiebenden Stempel 31 entfernt oder bei einer Bauform ohne Gegendruckplatte 30 durch Schwerkraft von der Matrize 29 gelöst werden. Die in ihrer Distanz zum Reaktor 1 einstellbare Gegendruckplatte 30 am Materialaustritt und die Zyklusdauer der Stempelbewegung bieten die Möglichkeit, den Verdichtungsgrad des torrefizierten Materials vorteilhaft zu beeinflussen.
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Die Temperatur der verdichteten torrefizierten Biomasse an der Austrittsöffnung 28 kann weniger als 150°C, insbesondere zwischen 50°C bis 100°C, betragen. Bei der Torrefizierung der Biomasse 3 mit integrierter Verdichtung in dem Reaktor 1 kann eine Volumenreduzierung bezogen auf das Schüttvolumen der eingesetzten Biomasse 3 von mehr als 80%, insbesondere bis 90%, weiter insbesondere bis 95%, erreicht werden. Die Dichte der verdichteten torrefizierten Biomasse 2 kann am Austritt aus dem Reaktor 1 an der Austrittsöffnung 28 zwischen 400 bis 900 kg/m3 betragen. Ist eine Pelletierung oder Brikettierung der verdichteten torrefizierten Biomasse 2 vorgesehen, kann die Dichte der Pellets/Briketts vorzugsweise zwischen 700 bis 900 kg/m3 betragen.
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Die Biomasse 3 kann einen Feuchtegehalt von 0 bis 50 Gew.-% aufweisen. Die verdichtete torrefizierte Biomasse kann einen Feuchtegehalt von weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 5 Gew.-% aufweisen. Die maximale Korngröße der verdichteten torrefizierten Biomasse 2 kann weniger als 10 mm betragen und vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 5 mm liegen.
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Die in den 1 bis 3 gezeigte Ausbildung des Reaktors 1 ist als Ausführungsbeispiel zu verstehen. Die Geometrie des Reaktors 1 kann bedarfsweise angepasst und verändert werden. Beispielsweise ist es möglich, dass der untere Gehäuseabschnitt 8 eine von der Trichterform abweichende Geometrie aufweist. Im Übrigen kann eine von der Antriebswelle 12 entkoppelte Förderschnecke vorgesehen sein, um das torrefizierte Material zu verdichten. Ebenso kann eine Doppel- oder Mehrfachschneckenanordnung vorgesehen sein.
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Alle genannten Wertebereiche umfassen neben den Intervallgrenzen auch alle Zwischenwerte, auch wenn dies nicht im Einzelnen beschrieben ist.
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Nachfolgend wird anhand von 4 schematisch ein Verfahren zur Erzeugung eines Energieträgers 2 aus halm- oder stückgutartiger Biomasse 3 beschrieben. Der Begriff „Biomasse” kann beliebige organische Materialien umfassen, die einer Torrefizierung zugänglich sind. Der Energieträger 2 kann als Primär- oder Sekundärbrennstoff eingesetzt werden und zeichnet sich durch eine hohe massen- und volumenbezogene Energiedichte und damit einen hohen Heizwert und eine gesteigerte Transportwürdigkeit aus. Vorteilhaft kann der in den 1 bis 3 dargestellte und oben beschriebene Reaktor 1 zur Torrefizierung und integrierten Verdichtung des torrefizierten Materials eingesetzt werden. Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist jedoch nicht auf den in den 1 bis 3 dargstellten Reaktortyp beschränkt. Insbesondere kann ein Reaktortyp vorteilhaft eingesetzt werden, bei dem einzelne Merkmale des anhand der 1 bis 3 beschriebenen Reaktors 1 miteinander kombiniert und verwirklicht sind.
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Gemäß 4 ist zur Erzeugung des Energieträgers 2, bei dem es sich um verdichtete torrefizierte Biomasse handelt, zunächst vorgesehen, eine feuchte Biomasse 32 in einem Trockner 33 bis zu einem bestimmten Feuchtegehalt zu trocknen und dann die getrocknete Biomasse 3 einem Reaktor 1 zuzuführen, der wenigstens eine Torrefizierungszone 5 und wenigstens eine in den Reaktor 1 integrierte nachfolgende Verdichtungszone 6 zur thermochemischen Konversion der Biomasse 3 und Verdichtung der torrefizierten Biomasse aufweist. Wie bereits oben beschrieben, sind die Torrefizierungszone 5 und die Verdichtungszone 6 miteinander verbunden und stehen zumindest in einem Übergangsbereich in einem offenen bzw. steten Gasaustausch miteinander bzw. weisen eine gleiche oder vergleichbare Gasatmosphäre auf.
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Der Torrefizierungszone 5 wird ein sauerstoffarmes bis -freies Wärmeträgergas 15 zugeführt. Bei der Torrefizierung der Biomasse 3 freigesetzte Torrefizierungs- bzw. Pyrolysegase führen zu einer Anreicherung von brennbaren Bestandteilen im Wärmeträgergas 15. Aus dem Reaktor 1 tritt folglich ein mit brennbaren Gasbestandteilen angereichertes Wärmeträgergas 16 aus, dass einer Brennkammer 18 zugeführt wird. Der Brennkammer 18 wird darüber hinaus Rauchgas 34 zugeführt, das aus der gasmotorischen Verbrennung insbesondere eines Schwachgases, wie Biogas, Deponiegas, Klärgas oder Grubengas, in einem Gasmotor 35 stammt. Der Gasmotor 35 kann Teil eines Blockheizkraftwerkes einer Anlage zur dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung sein. Für eine direkte Wärmezufuhr zur Torrefizierungszone 5 lassen sich grundsätzlich abgasförmige Wärmeträger im Temperaturbereich ab 200°C nutzen, beispielsweise auch Rauchgase aus der Strom- und/oder Wärmeerzeugung in konventionellen Kraftwerken.
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Die beschriebene Erzeugung eines Energieträgers 2 durch Torrefizierung und integrierte Verdichtung ist insbesondere dann vorteilhaft vorzusehen, wenn eine hohe Verfügbarkeit von Biomasse 32 gewährleistet und gleichzeitig die Nutzung der Abwärme eines Rauchgases 34 möglich ist. Diese Voraussetzungen sind insbesondere gegeben in Biogasanlagen zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung aus Biogas.
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In der Brennkammer 18 wird das Rauchgas 34 mit dem angereicherten Wärmeträgergas 16 vermischt. Der Brennkammer 18 wird darüber hinaus Verbrennungsluft 36 zugeführt, um die im angereicherten Wärmeträgergas 16 enthaltenen brennbaren Gasbestandteile zu oxidieren. Sofern der Wärmeinhalt des aus der Brennkammer 18 austretenden Wärmeträgergases 15 nicht ausreicht, um den Wärmebedarf der Torrefizierung der Biomasse 3 im Reaktor 1 zu decken, kann der Brennkammer 18 gegebenenfalls ein Brenngas 37 zugeführt und in der Brennkammer 18 verbrannt werden.
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Die Luftzufuhr zur Brennkammer 18 sollte vorzugsweise stöchiometrisch erfolgen, so dass ein möglichst geringer Sauerstoffgehalt im Wärmeträgergas 15 vorliegt. Vorzugsweise sollte der Sauerstoffgehalt im Wärmeträgergas 15 weniger als 15 Vol.-%, insbesondere weniger als 12 Vol.-%, weiter insbesondere weniger als 9 Vol.-%, betragen. Im Ergebnis wird eine ”sauerstoffarme” Atmosphäre in der Torrefizierungszone 5 erzeugt.
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Bei dem anhand von 4 beschriebenen Verfahren ist vorgesehen, das angereicherte Wärmeträgergas 16 vollständig zur Brennkammer 18 zu rezirkulieren. Ein Teilstrom des Wärmeträgergases 15 kann dem Trockner 33 zugeführt werden und dient zur Vortrocknung der feuchten Biomasse 32.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CA 2656283 A1 [0005]
- WO 2009/124286 A2 [0005]
- WO 2010/001137 A2 [0005]
