DE102011076839A1

DE102011076839A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von zerstückeltem Material durch Pyrolyse

Info

Publication number: DE102011076839A1
Application number: DE102011076839A
Authority: DE
Inventors: Andre Klemarewski
Original assignee: Raute Oyj
Current assignee: Raute Oyj
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-02-09
Also published as: FI20105618A; FI20105618A0; US20110290788A1; CN102344818A; CA2740704A1; PL395066A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verarbeiten von zerstückeltem Material durch Pyrolyse, wobei das zu verarbeitende Material in einen Verarbeitungshohlraum (3) zugeführt wird und darin erwärmt wird. Bei dem Verfahren wird das zerstückelte Material kontinuierlich durch den Verarbeitungshohlraum (3) zugeführt und zumindest am Anfang des Prozesses mit Mikrowellenenergie erwärmt. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung (15, 16) zum kontinuierlichen Zuführen des zu verarbeitenden Materials durch den Hohlraum (3) auf; eine Mikrowellenanlegevorrichtung (6) zum Auslösen der Erwärmung des Materials am Anfang des Prozesses; und eine Einrichtung (4, 5) zum Sammeln des Pyrolyseendprodukts.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Pyrolyseverfahren zum Verarbeiten von zerstückeltem Material durch Zuführen desselben in einen Verarbeitungshohlraum und Erwärmen darin und auf eine Vorrichtung zum Verarbeiten von zerstückeltem Material durch Pyrolyse.
Ein Pyrolyseprozess zum Erwärmen von Holz oder anderen ligno-zellulosischen Materialien bei Temperaturen von 350–600°C in einer sauerstoffarmen Atmosphäre wird seit Hunderten von Jahren verwendet, um Holzkohle zu erzeugen. Es gibt viele Herstellungsverfahren. Einige sind sehr primitive Stoßprozesse mit sehr geringer Kohlenstoffrückgewinnung und hoher Luftverschmutzung. Es gibt auch einige sehr moderne Verfahren, wo Pyrolyse in einem vollständig geschlossenen Behälter vom Industrietyp durchgeführt wird, wo alle Gase rückgewonnen werden und mit hoher Kohlenstoffrückgewinnung. Holzarten haben im Durchschnitt 50% Kohlenstoffgehalt und dies ist die maximale theoretische Holzkohle- oder Bio-Kohlenstoff-Rückgewinnung. Holzkohlerückgewinnung mit primitiven Stoßverfahren beträgt 15–25%. Neue industrielle Verfahren beanspruchen Holzkohlerückgewinnung von Holz bis zu 40%. Ein weiterer Prozess, der zum Verbessern des Biomasseheizwerts verwendet wird, ist Torrefizierung. Torrefizierung ist im Grunde genommen eine unvollständige Pyrolyse und kann bei niedrigeren Temperaturen zwischen 250°C und 350°C ausgeführt werden. Torrefizierung wird zum Behandeln von Holzabfall vor der Pelletbildung verwendet. Torrefizierte Pellets haben einen höheren Wärmegehalt von 21 MJ/kg im Vergleich zu 16 MJ/kg für Standardholzpellets. Sie absorbieren auch kein Wasser und sind widerstandsfähig gegenüber biologischen Angriffen. Torrefizierte Pellets sind ein sehr attraktiver und umweltfreundlicher Kraftstoff.
Die US4118282 bezieht sich auf einen Stoßprozess, der in einer geschlossenen Kammer ausgeführt wird. Dasselbe dient zum Aufbrechen/Aufschlüsseln polymerer Kohlenwasserstoffe (Kunststoffe). Der Prozess wird durch Laser ausgelöst, der Kunststoff verbrennt und Kohlenstoffrückstand erzeugt. Mikrowellen werden bei einem kontinuierlichen Erwärmungsprozess an Kohlenstoff angezogen. Die US61184427 bezieht sich auf einen Prozess zum Aufbrechen von Kohlenwasserstoffen (Kunststoffen). Da Kunststoffe einen geringen dielektrischen Verlustfaktor haben (sich in Mikrowellen nicht gut erwärmen), werden Sensibilisatoren oder Materialien mit höherem dielektrischem Verlust hineingemischt. Der Prozess ist kontinuierlich, aber Kunststoff wird in spaghettiartigen Bändern extrudiert und bewegt sich durch die Schwerkraft durch einen Reaktor nach unten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Pyrolyseverfahren und eine verbesserte Pyrolysevorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren erreicht, bei dem zumindest ein Großteil des zu verarbeitenden zerstückelten Materials Biomasse ist; dass das zerstückelte Material kontinuierlich durch den Verarbeitungshohlraum zugeführt wird und zumindest am Anfang des Prozesses mit Mikrowellenenergie erwärmt wird, und dass das zerstückelte Material zusammengepresst wird, bevor Mikrowellenenergie angelegt wird. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung aufweist zum kontinuierlichen Zuführen des zu verarbeitenden zerstückelten Materials durch den Hohlraum und zum Zusammenpressen des zu verarbeitenden zerstückelten Materials; eine Mikrowellenanlegevorrichtung zum Auslösen der Erwärmung des Materials am Anfang des Prozesses; und eine Einrichtung zum Sammeln des Pyrolyseendprodukts.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Mitte der kontinuierlich geförderten Biomasse mit Mikrowellenenergie erwärmt und die Außenschichten des Biomassematerials werden durch heiße Luft und Verbrennungsgase erwärmt.
Das Pyrolyseverfahren der vorliegenden Erfindung hat mehrere Vorteile im Vergleich zu den bestehenden Pyrolyseprozessen:

– Es kann bei einer Vielzahl von Eingabematerialien angewendet werden, wie z. B. Holz, städtischer Holzabfall, Kokosnussschalen, Gras, Schilf und viele andere Pflanzenmaterialien. Es kann auch bei Kunststoff- und Gummi-Abfall angewendet werden.
– Es kann kleine Partikel, wie z. B. Sägestaub und eine Mischung aus kleinen und größeren Partikeln, wie z. B. Sägemehl und Holzschnitzel annehmen.
– Schnelle Verarbeitungszeit aufgrund effizienter Mikrowellenerwärmung. Der gesamte Pyrolyseprozess dauert erwartungsgemäß 5 bis 15 Minuten. Wettbewerbsfähige Blitzpyrolyseprozesse sind sogar noch schneller, aber auf Material mit sehr kleiner Partikelgröße begrenzt.
– Schnelles Anlaufen und schnelles Abschalten. Es gibt eine sehr kurze (etwa fünfminütige) Mikrowellenerzeugeraufwärmzeit. Andere Prozesse erfordern eine sehr viel längere Aufwärmzeit.
– Pyrolyse wird in einem geschlossenen Verarbeitungshohlraum in einer natürlich sauerstoffarmen Atmosphäre durchgeführt.
– Biomassepartikel werden zusammengepresst auf eine Dichte von 0,03 bis 1,2 g/cm³. Lufteinschlüsse werden überwiegend eliminiert. Mikrowellenenergieanlegen und Wärmeleitung von erwärmter Zone zu nicht erwärmter Zone ist stark verbessert.
– Leichte Prozesssteuerung mit vollständig einstellbarer Mikrowellenleistungseingabe und Extrusionsgeschwindigkeit.
– Der Prozess wird exotherm, nachdem die Kerntemperatur etwa 270°C erreicht hat und kann ohne Mikrowellenleistungseingabe fortfahren.
– Dampf, Flüssigkeiten und Gase, die während des Pyrolyseprozesses erzeugt werden, können an spezifischen Punkten entlang des Verarbeitungshohlraums extrahiert werden.
– Der Extrusionsprozess ist selbstreinigend aufgrund hoher Verdichtung der Biomasse und Reibung gegen die Hohlraum- und Mikrowellenanlegevorrichtungswände.
– Prozess wird in geschlossener Umgebung ausgeführt mit vollständiger Steuerung von Gas, Flüssigkeit und festen Nebenprodukten. Er verursacht beinahe keine Luftverschmutzung.
– Für die Torrefizierung von Biomasse oder für Holzkohleproduktion kann die gleiche Ausrüstung verwendet werden.
– Bio-Kohlenstoff-Rückgewinnung ist beinah maximal möglich aufgrund relativ niedriger Verarbeitungstemperatur und eines vollständig geschlossenen Systems.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine beispielhafte Struktur einer Pyrolysevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht der Vorrichtung von 1 unmittelbar nach der letzten MW-Anlegevorrichtung.
Das Prinzip des Pyrolyseverfahrens der vorliegenden Erfindung ist in 1 und 2 gezeigt. Bei diesem Prozess können Holzreste, Pflanzenteile, Nussschalen, Stroh und jede zerstückelte Biomasse mit einem Flüssiggehalt von bis zu 30% verwendet werden. Biomasse muss in der Größe reduziert werden, damit dieselbe klein genug ist, um mit einem schrauben- oder kolbenartigen Extrusionsprozess extrudiert zu werden. Die Partikelgröße sollte vorzugsweise zwischen 0,50 bis 60 mm betragen.
Biomassepartikel werden zuerst in einen Trichter 2 zugeführt. An der Unterseite des Trichters befindet sich ein Extrusionsmechanismus, der das Material in einen länglichen Verarbeitungshohlraum 3 drückt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Extrusionsmechanismus einen Zylinder 15 und einen Kolben 16 auf. Der Verarbeitungshohlraum 3 ist vorzugsweise rechteckig in der Form und hat Abmessungen zwischen 22 bis 300 mm in der Höhe und 200 bis 1300 mm in der Breite. Der Verarbeitungshohlraum kann auch kreisförmig oder elliptisch im Querschnitt sein. Während Biomasse in den Verarbeitungshohlraum 3 gedrückt wird, wird dieselbe zusammengepresst und alle großen Lufteinschlüsse werden eliminiert. Entlang dem Verarbeitungshohlraum befinden sich zumindest eine und vorzugsweise mehrere Mikrowellenanlegevorrichtungen 6, die mit Wellenleitern mit Mikrowellengeneratoren verbunden sind. Es gibt zwei industrielle Mikrowellenfrequenzen, die zum Erwärmen zugewiesen sind – 2450 Mhz und 915 Mhz. Jede dieser Frequenzen kann verwendet werden, aber Mikrowellenanlegevorrichtungsabmessungen müssen für eine dieser Frequenzen entworfen sein. Es wird bevorzugt, dass die verwendete Mikrowellenanlegevorrichtung vom Typ mit horizontaler Polarisierung ist. Bei dieser Art von Aufbringvorrichtungen kann maximale Mikrowellenenergie und Erwärmung an die Mitte des Aufbringvorrichtungsquerschnitts oder die Mitte des Verarbeitungshohlraums oder an die Außenseite des Verarbeitungshohlraums gerichtet werden. Ein Beispiel einer Vorrichtung für Mikrowellenerwärmung ist in der US 2010/0060391A1 offenbart, die der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung übertragen ist.
Im vorliegenden Fall wird es bevorzugt mit dem Erwärmen des Mittelteils des Verarbeitungshohlraums zu beginnen. Während das Biomasseprodukt durch den Verarbeitungshohlraum 3 verläuft, wird es mehreren Erwärmungsstufen unterzogen. Nachdem die Kerntemperatur etwa 250°C erreicht, beginnen kürzerkettige Biomassekohlenwasserstoffe mit der Zersetzung und werden zu Gas. Dampf, der von einer frühen Stufe der Mikrowellenerwärmung erhalten wird, wird über Kanäle 14 weg von dem Hohlraum 3 geführt. Es ist denkbar, Dampf zum Vorwärmen des Materials zu verwenden, bevor dasselbe in den Hohlraum zugeführt wird. Verarbeitungshohlraumwände sind zwischen den Mikrowellenanlegevorrichtungen 6 mit Perforationen versehen. Ein negativer Druck wird ausgeübt und alles Gas, das von der Biomassenzersetzung erzeugt wird, wird zu einem Kondensator 17 befördert, wo Wasser von Gas getrennt wird. Gase von der Pyrolyse in dem Kern erwärmen die äußere Schicht auf effektive Weise, wenn dieselben nach außen fließen.
Trockengas wird über Kanäle 7a, 7b, 7c, 7 zu einem Brenner 8 geleitet, wo es entzündet wird. Heißes Gas und heiße Luft, die während des Verbrennungsprozesses erzeugt werden, werden über den Kanal 9 zu den Kammern 10a, 10b gerichtet, die den Verarbeitungshohlraum 3 umgeben, der einen Erwärmungshohlraum 13 dazwischen bildet. Die Absicht ist es, Verarbeitungshohlraumwände zwischen und nachgeschaltet zu den Mikrowellenanlegevorrichtungen 6 zu erwärmen. Eine Temperatur von heißer Luft und heißem Gas in dem Kanal 9 beträgt vorzugsweise etwa 700° bis 900°C und in den Kammern 10a, 10b etwa 500 bis 700°C. Heiße Metallwände wiederum werden Hitze zu der Außenschicht 12 der verarbeiteten Biomasse leiten. Am Ende des Prozesses ist der gesamte Querschnitt des verarbeiteten Materials auf eine Temperatur von 300–400°C erwärmt. Bei dieser Temperatur und Abwesenheit von externer Sauerstoffzufuhr wird Biomassematerial vollständig pyrolysiert. Kurzkettige Kohlenstoffhemizellulosen werden vergast und langkettige Kohlenstoffpolymerzellulose wird zu Kohlenstoff umgewandelt. Holzkohle wird gekühlt, einem Förderband 4 zugeführt und zu einem Sammelbehälter 5 weitergeleitet.
Die Geschwindigkeit und der Grad der Pyrolyse kann gut gesteuert werden durch die Menge an Mikrowellenleistung, die angelegt wird, und die Geschwindigkeit der Extrusion durch den Verarbeitungshohlraum.
Bei 270°C ist die Holzoxidationsreaktion exotherm und erfordert keine externe Wärme. Daher ist es auch möglich, Kernmaterial auf etwa 300°C mit Mikrowellen zu erwärmen und der Pyrolyseprozess würde sich selbst fortsetzen. Das auf etwa 300°C zu erwärmende Kernmaterial umfasst vorzugsweise 30 bis 70% des Querschnittes, kann aber kleiner sein, was jedoch zu einer längeren Pyrolyseprozesszeit führt. Das Erwärmen externer Schichten 12 mit heißem Gas beschleunigt diesen Prozess, ist aber nicht notwendig. Der Prozess kann auch mit 100% Erwärmung erreicht werden, die durch Mikrowellenenergie ausgeführt wird. In diesem Fall sind nachfolgende Mikrowellenanlegevorrichtungen entwickelt, um den gesamten Querschnitt des Verarbeitungshohlraums auf eine einheitliche Temperatur zu erwärmen.
Es kann auch vorteilhaft sein, einen unvollständigen Pyrolyseprozess zu haben und denselben bei einer Temperatur zwischen 200°C und 320°C auszuführen. Dies wird als Torrefizierung bezeichnet. Torrefizierte Biomasse hat einen höheren Heizwert im Vergleich zu Holz aufgrund eines höheren Kohlenstoffgehalts. Torrefiziertes Holz absorbiert sehr wenig Feuchtigkeit und ist biologisch widerstandsfähig. Es ist daher ein bevorzugtes Material für eine Brennstoffpelletvorbereitung.
Die Hauptvorteile der Erfindung sind:

– Flexibilität der Materialien, die verarbeitet werden können: von Reishülsen, geriebenen Nussschalen zu gemischtem städtischem Holzabfall. Gemahlenes Gummi und Kunststoff wird auch für die Verarbeitung in Betracht gezogen.
– Flexibilität des Prozesses. Für eine vollständige Pyrolyse, bei der das Endprodukt Holzkohle ist, oder eine Teilpyrolyse, die torrefiziertes Holz herstellt, könnte die gleiche Ausrüstung verwendet werden.
– Das obige ist möglich aufgrund sehr guter Steuerung der Pyrolysetemperatur. Dies wird erreicht durch Einstellen von Materialgeschwindigkeit (Kolben U/min. oder Schraubenzuführung U/min.) und Mikrowellenleistung.
– Höchstmögliche Bio-Kohlenstoff-Rückgewinnung aufgrund eines sehr gesteuerten Prozesses.
– Der Prozess ist sehr effizient und wirklich eine Kombination von Mikrowellen- und herkömmlicher Synthesegaserwärmung. Mikrowelle erwärmt den Mittelteil des zu verarbeitenden Materials, und Synthesegas erwärmt die Außenseite desselben. Bisher bekannte Prozesse sind entweder 100% Synthesegaserwärmung (nicht wirksam bei großen Holzklötzen) oder 100% Mikrowellenerwärmung.
– Das zerstückelte Material ist immer zusammengepresst, was eine sehr gute Wärmeübertragung von dem pyrolysierten Abschnitt zu dem nicht pyrolysierten Abschnitt bereitstellt.

Die Erfindung schafft ein modernes, kompaktes, flexibles und ökonomisches System für Biomassenwertsteigerung. Es ist geeignet für kleine bis mittelgroße Verarbeitungslinien zwischen 5000–25000 Tonnen/Jahr Biomasse. Größere Volumen können mit mehreren Linien verarbeitet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4118282 [0003]
US 61184427 [0003]
US 2010/0060391 A1 [0013]

Claims

Verfahren zum Verarbeiten von zerstückeltem Material durch Pyrolyse, wobei bei dem Verfahren das Material in einen Verarbeitungshohlraum (3) zugeführt wird und darin erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Großteil des zerstückelten zu verarbeitenden Materials Biomasse ist; dass das zerstückelte Material kontinuierlich durch den Verarbeitungshohlraum (3) zugeführt wird und zumindest am Anfang des Prozesses mit Mikrowellenenergie erwärmt wird, und dass das zerstückelte Material zusammengepresst wird (16), bevor Mikrowellenenergie angelegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zerstückelte Material auf eine Dichte zwischen 0,20 g/cm³ und 1,20 g/cm³ zusammengepresst wird (16), bevor Mikrowellenenergie angelegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des zerstückelten Materials durch Mikrowellenenergie ausgelöst wird und dann aufgrund von exothermer Biomassenreaktion von selbst weitergeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in einem Verarbeitungshohlraum zu verarbeitende zerstückelte Material Biomasse ist, und Biomasse zuerst mit Mikrowellenenergie in der Mitte ihres Querschnitts erwärmt wird und Außenschichten derselben mit einer externen Heizquelle erwärmt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Außenschichten der Biomasse mit heißem Gas erwärmt werden, das nach der Verbrennung von Pyrolysegas erzeugt wird, das in dem anfänglichen durch Mikrowellen erwärmten Kernbiomasseprozess erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein kontinuierlicher Pyrolyseprozess mit 100% Mikrowellenenergie ausgeführt wird und resultierende Pyrolyseöle und -gase gesammelt werden und für andere Prozesse verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellenenergie durch zumindest eine Mikrowellenanlegevorrichtung (6) mit horizontaler Feldpolarisierung erzeugt wird und Mikrowellenenergie in der Mitte des extrudierten Materials konzentriert ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zerstückeltes Material durch eine Extrusionsschraube oder einen Druckkolben durch einen länglichen Verarbeitungshohlraum gedrückt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolyseprozess mit Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 400 bis 2450 Mhz ausgelöst wird.
Vorrichtung zum Verarbeiten von zerstückeltem Material, wovon zumindest der Großteil Biomasse ist, durch Pyrolyse in einem Verarbeitungshohlraum (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung (15, 16) aufweist zum kontinuierlichen Zuführen des zu verarbeitende zerstückelten Materials durch den Hohlraum (3) und zum Zusammenpressen des zu verarbeitenden zerstückelten Materials; eine Mikrowellenanlegevorrichtung (6) zum Auslösen der Erwärmung des Materials am Anfang des Prozesses; und eine Einrichtung (4, 5) zum Sammeln des Pyrolyseendprodukts.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe eine Einrichtung zum Sammeln von Pyrolysegas aufweist, das während der anfänglichen Mikrowellenerwärmung des zerstückelten Materials erzeugt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe eine Einrichtung (8) zum Brennen des Pyrolysegases und eine Einrichtung (9) zum Zuführen von heißer Luft von der Brennereinrichtung (8) zu einer Kammer (10a; 10b) aufweist, die den Verarbeitungshohlraum (3) umgibt, zum Erwärmen von Außenschichten des zerstückelten Materials.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum länglich ist und rechteckig in der Form mit Abmessungen von 20 bis 300 mm in der Höhe und 200 bis 1300 mm in der Breite.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum länglich ist und einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweist.