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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur thermochemischen Herstellung von Kohle aus Rohstoffen, die zu Pellets oder anderen Presslingen geformt sind, und die Mineraldünger enthalten.
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Es ist wünschenswert, düngerhaltige Rohstoffe wie Schlamm aus Kläranlagen, Gülle und Dung aus Tierhaltungen, Gärreste aus Biogasanlagen, sogenannte Energiepflanzen, Holz oder Torf mit Verfahren zu behandeln, die gleichzeitig möglichst viele Vorteile für andere Aufgaben bieten, insbesondere für die Rückgewinnung von Energie und für die Wiederverwendung des Düngers.
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Ein bekanntes Verfahren hierfür ist das Trocknen und Verbrennen von solchen Materialien. Dabei kommt es bei Verwendung bekannter Brennöfen zu Störungen durch die Bildung von Staub und/oder durch teilweise Verschlackung der Asche. Dies führt mindestens zu einem erhöhten Wartungsaufwand und zu Problemen hinsichtlich der Verwendung der Asche, so dass der Wirkungsgrad des Ganzen verringert wird.
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Die Indianer am Amazonas kannten die fördernde Wirkung von Holzkohle für die Fruchtbarkeit des Bodens bereits vor mehr als 2000 Jahren (”Terra Preta”). Seit dem letzten Jahrhundert gibt es viele Versuche, die ”Terra Preta”-Effekte mit künstlich hergestellter Kohle zu nutzen. Dünger-Kohle könnte zusätzlich zur bodenverbessernden Wirkung eine verhältnismäßig große Menge des Kohlenstoffs, der von Pflanzen aufgenommen wird, für längere Zeiträume zurück in den Boden bringen. Welch hoher Wert mit der sogenannten Biokohle verbunden ist, wurde zum Beispiel in der zweiten Asien-Pazifik Biokohle Konferenz 2011 aufgezeigt. Weil in der Europäischen Union, der Begriff ”Bio” nur verwendet werden kann, wenn die Voraussetzungen für eine Bio-Zertifizierung erfüllt sind, wird in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung die allgemeine Bezeichnung Dünger-Kohle verwendet.
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Verfahren zur Herstellung von Aktivkohle, also mittelbar auch für die Herstellung von Dünger-Kohle, sind gut bekannt. Es gibt viele vorgeschlagene Verfahren für die Produktion von Kohle und Aktivkohle aus Holz, Holzabfällen, Stroh, Grünschnitt, aus sogenannten Energiepflanzen und auch aus Abfällen verschiedener Art, wie z. B. Gülle aus Ställen, Klärschlamm, Rückständen aus Biogas-Fermentern und Torf. Die Rohstoffe werden ohne Sauerstoffzufuhr bei hohen Temperaturen behandelt, dabei werden die organischen (kohlenstoffhaltigen) Stoffe thermo-chemisch in Kohlenstoff umgesetzt, also verkohlt. Die dabei entstehenden Gase können in einem nachgeschalteten Gasbrenner oder für andere Zwecke genutzt werden.
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Die Energieausbeute all dieser Verkohlungs-Verfahren ist wegen des Heizwertes des entstehenden Kohlenstoffs niedrig, insbesondere bei Verwendung von Rohstoffen mit einem hohen Mineralgehalt. Verfahren zur Herstellung von Kohle, werden daher hauptsächlich nur für eine Verwendung von Aktivkohle oder zur weiteren Verbrennung der Kohle eingesetzt. Wenn man mehr Energie aus dem verfügbaren Rohstoff gewinnen will – wie es für eine Kläranlage oder für Tierhaltungen wünschenswert ist – ist nach einer Verkohlung ein zweiter Ofen notwendig.
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Zum Beispiel wird in der
DE 20 2011 001 454 U1 eine ”Anlage zur Energierückgewinnung aus Biomasse und brennbaren Abfällen, insbesondere nachwachsenden Rohstoffen, sowie zur Karbonisierung” vorgeschlagen. Am Ausgang dieses Ofens ist ein Wärmetauscher, um die hergestellte Kohle indirekt zu kühlen. Diese Anlage soll die Energieausbeute verbessern. Der Wärmetauscher wird verwendet, um Wasser für eine Nutzung außerhalb der Anlage zu beheizen. Als ”Biomasse” werden auf eine Größe von weniger als 40 mm zerkleinerte Rohstoffe mit einem hohen Heizwert vorgeschlagen. Die Materialien werden thermochemisch in eine Kohle mit einem hohen Brennwert umgewandelt. – Diese Anlage dient nur für ein herkömmliches Verkohlungs-Verfahren für staubhaltige Rohstoffe, sie arbeitet ohne Luftzufuhr und hat deshalb eine geringe Energieausbeute. Zur weiteren Verwendung der hergestellten Kohle wird eine nachgeschaltete Anlage vorgeschlagen.
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Da der Heizwert von Klärschlamm nicht hoch genug ist, ist eine bloße Verkohlung des Schlammes für eine Kläranlage wirtschaftlich nicht sinnvoll. Ähnliche Bedingungen gelten für Rückstände von Tierhaltungen. Hinzukommt, dass die Kohle, die bei herkömmlicher Verkohlung hergestellt wird, in der Regel reich an Staub ist, dies bewirkt eine Reihe von Nachteilen bei der Verwendung der Kohle in nachgeschalteten Verfahren oder beim Verteilen der Kohle auf landwirtschaftlichen Feldern. Staub jeglicher Art kann auch sehr schädlich für die Umwelt sein.
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Um die durch Staub verursachten Nachteile der Verfahren nach dem Stand der Technik zu vermeiden, wurde eine Vermischung von staubiger Kohle mit anderen Materialien vorgeschlagen; aber diese zusätzliche Behandlung vermindert die Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens erheblich. Eine vorgeschlagene nachträgliche Herstellung von Pellets aus Kohlenstaub mit Hilfe von Bitumen oder anderen Stoffen ist teuer und verursacht Schwierigkeiten bei der Zulassung als Dünger in der Landwirtschaft.
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Eine Herstellung von Dünger-Kohle in Form von Pellets oder anderen Pressformen, mit mehr Energieausbeute als es mit reinen Verkohlungs-Verfahren möglich ist, ist bisher nicht in einer wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Weise gelungen. Es gibt bisher nur Feststoff-Öfen, die solche Materialien zu Asche verbrennen.
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Anfängliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Verbesserung der Verbrennung von organischem Material aus landwirtschaftlichen Betrieben mit dem Ziel, die durch Staub und Schlacke bedingten Nachteile der bekannten Verfahren zu vermindern.
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Bei einem der Versuche mit einer Regelung (Beschränkung) der Luftzufuhr war die Verbrennung von zugeführten Pellets in einem Feststoff-Ofen, der mit einem Drehteller ausgerüstet war, unvollständig. Es kam noch glühendes Material, das im Asche-Auffangbehälter qualmte, aus dem Ofen. Beim Löschen mit Wasser stellte sich heraus, dass diese „Asche” im Wesentlichen aus Pellets bestand, die einen hohen Kohleanteil hatten. Diese Beobachtung war sehr überraschend, denn im Allgemeinen wird erwartet, dass der Rohstoff bei der Verbrennung zerfällt.
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Diese Beobachtung erweiterte die Aufgabe der vorliegenden Erfindung: Jetzt sollten Maßnahmen für die Herstellung einer möglichst staubarmen Dünger-Kohle zur Verfügung gestellt werden. Dabei sollte die Energieausbeute aus dem eingesetzten Rohstoff höher sein als bei einem reinen Verkohlungsverfahren.
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Gemäß der Erfindung wird dies mit einem Verfahren erreicht, bei dem Rohstoffe, die zu Pellets oder anderen Presslingen, z. B. Briketts, geformt sind, in einer thermochemischen Umwandlung Anlage (Konverter) mit geregelter Luft- oder Sauerstoff-Versorgung bei weniger als 800°C, vorzugsweise bei 400–bis 700°C, behandelt werden, so dass der gewünschte Teil-Verbrennungs-Grad erreicht wird, und wobei die Rohstoffe im Konverter mit Schnecken, Schaufeln, Drehtellern, Schiebeböden oder dergleichen langsam bewegt werden, damit möglichst wenig Abrieb entsteht. Entscheidend für den Erhalt der Form der Rohstoffe ist ein Abschrecken (Löschen) der noch glühenden Stoffe mit Wasser oder mit Wasser enthaltenden Mischungen am Ende oder nach dem Verlassen des Konverters und vor dem Kontakt mit Luft oder sauerstoffhaltigem Gas.
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Dieses Verfahren kann gemäß der Erfindung mit Hilfe einer Vorrichtung zur thermochemischen Umwandlung (Konverter, Ofen, Vergaser) ausgeführt werden, die (der) mit einer sich langsam bewegenden Schnecke oder mit langsam drehenden Schaufeln, einem Drehteller, Schiebeboden oder dergleichen ausgestattet ist, sowie eine Vorrichtung für die gesteuerte Zufuhr von Sauerstoff enthaltendem Gas und Mittel zum Abschrecken (Löschen) der noch glühenden Stoffe mit Hilfe von Wasser oder mit Wasser enthaltenden Gemischen aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verhindert eine schädliche Bildung von Staub oder Schlacke. Man kann den Grad der Verbrennung (die Ausbeute an Energie in Bezug auf die verwendete Material) im erfindungsgemäßen Verfahren durch die Regelung der Sauerstoffzufuhr so einstellen, dass die erzeugte kohlenstoffhaltige Asche – die Dünger-Kohle – den gewünschten höheren oder niedrigeren Gehalt an Kohlenstoff hat. Man kann das im Konverter erzeugte Gas für eine Verbrennung oder für andere Zwecke nutzen. Das erfindungsgemäße Abschrecken (Löschen) verhindert ein Weiterbrennen der nur teilweise verbrannten Rohstoffe. Der Dampf, der beim Abschrecken (Löschen) mit Wasser innerhalb der heißen Feststoffmasse entsteht, bewirkt zusätzlich eine verbesserte Porenbildung in der Dünger-Kohle. Die eingesetzten Formlinge der Rohstoffe bleiben – trotz Teilverbrennung mit Luft – überraschend formfest. Die hergestellte Dünger-Kohle hat etwa gleichgute Eigenschaften wie Aktivkohle, dies kann man für weitere Ausgestaltungen der Erfindung nutzen.
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Obwohl bei dieser Erzeugung von Dünger-Kohle ein Teil der ursprünglichen Rohstoffe, nämlich die gebildete Kohle, nicht für die Energiegewinnung ausgenutzt wird, gleicht der Kohlegehalt des Produkts diesen Nachteil mehr als gut aus: Der Düngeranteil in der Dünger-Kohle wird durch die Bindung an Aktivkohle für die Land- und Forstwirtschaft erheblich wertvoller als herkömmlicher Dünger. Viele, den Düngewert ausmachende Stoffe werden vor einem zu schnellen Auswaschen im Boden durch den feinporigen Kohlenstoff geschützt und damit können die Pflanzen den Dünger nachhaltig nutzen („terra preta”). Die bekannten weiteren Vorteile von Aktivkohle im Boden, erhöhte Wasserspeicherung, erhöhte Humusbildung, Förderung des Pflanzenwachstums, Rückhaltung von Schadstoffen, sollen hier nur kurz erwähnt werden. Um das erfindungsgemäße Verfahren für die Erzeugung von mehr Energie zu verbessern, können Rohstoffe mit hohem Düngeranteil (Klärschlamm, Gülle, Mist, Kot, Gärreste usw.) vorzugsweise mit anderen Rohstoffen mit geringerem Düngeranteil (getrocknetem Grünschnitt, Trockenpflanzen, Holz, Torf und dgl.) vermischt werden.
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Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die teilweise Verkohlung von Klärschlamm wird der mit bekannten Vorrichtungen verdichtete und zu geeigneten Presslingen, z. B. nudelähnlich geformte noch feuchte Schlamm mit Hilfe der Abwärme aus dem erfindungsgemäßen Verkohlungsverfahren und/oder aus der Verbrennung des in der thermochemischen Umwandlungsanlage erzeugten Gases und/oder anderen Wärmequellen getrocknet; die getrockneten Schlamm-Presslinge werden in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei geregelter Sauerstoffzufuhr teilweise verbrannt und verkohlt; ein Teil der in einem nachgeschalteten Abgasbrenner gewonnenen Energie wird in elektrischen Strom umgewandelt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert:
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1 zeigt ein Fließdiagramm mit einer thermochemischen Umwandlungsanlage (Konverter, Drehofen, Feststoff-Ofen, Vergaser) (10) mit langsam laufenden (nicht eingezeichneten) Schnecken, Schaufeln, Drehtellern, Schiebeböden oder dergleichen, mit einer Zuführung (1) für Rohstoffe, die zu Pellets oder anderen Presslingen geformt sind, mit einer Leitung (2) für die anhand der Temperatur und/oder anhand der Sauerstoffkonzentration im Konverter (10) geregelte Zufuhr von Luft und mit einer Einrichtung (3) für das erfindungsgemäße Abschrecken (Löschen) der hergestellten Dünger-Kohle vor dem Zutritt von Luft. In der einfachen Ausführung wird erfindungsgemäß in den Ausgang (4) der thermochemischen Umwandlungsanlage Wasser über eine Leitung (3) und eine (nicht eingezeichnete) Düse auf der Dünger-Kohle verteilt, so dass die glühende Dünger-Kohle abgeschreckt (gelöscht) wird und nach dem Verlassen der Umwandlungsanlage (4) nicht mehr weiterbrennen kann. Es liegt auf der Hand, dass man den beim Abschrecken entstehenden Wasserdampf für die Erwärmung von Trocknungsluft benutzt.
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Der thermochemische Konverter (10) kann senkrecht aufgebaut werden, wie (beispielsweise) ein herkömmlicher Feststoff-Ofen mit einer Teilung durch zum Beispiel einen Schiebeboden oder durch einen Drehteller in eine Heizkammer (12) und in einen Vergasungs-Raum (11), oder er kann – anders als hier dargestellt – horizontal oder geneigt gebaut werden wie ein Drehrohrofen oder ein Rohr mit Schaufeln oder mit einer Schnecke oder dergleichen.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die glühende Dünger-Kohle vor einem sofortigen Abschrecken (Löschen) in einer nachgeschalteten Kammer (5), die einer Hagenmaier Trommel ähnlich ist, vorzugsweise bei etwa 400°C für die Behandlung von heißem Abgas (21) aus einem Gasbrenner (20), in dem die im Konverter (10) gebildeten Gase (13) verbrannt werden, genutzt werden. Das behandelte heiße Gas kann aus der Kammer (5) über eine Leitung (22) für eine Weiternutzung der Wärme abgeführt werden. Nach dieser Vornutzung der Dünger-Kohle für eine Abgasbehandlung in der Kammer (5) kann die erfindungsmäßige Abschreckung (Löschung) der noch glühenden Rohstoffe über eine Wasser-Leitung (31) in Leitung oder Kammer (8) vorgenommen werden. Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für die Nutzung von Abluft aus einer Trocknungsanlage für Rohstoffe (60) durch Leitung (6) in die Leitung (2) dargestellt. Eine weitere Möglichkeit für die Nutzung der Dünger-Kohle nach dem Abschrecken (Löschen) für eine Reinigung von Abgas (81) in einer Anlage (80) aus den Ställen eines landwirtschaftlichen Betriebes (82) ist durch Leitung (8) dargestellt. Die Dünger-Kohle gelangt über Leitungen (4 und/oder 84) zu einem Lager (90).
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet – in einem Verbund mit Trocknungsanlagen für die zu verarbeitenden Rohstoffe, und/oder in einem Verbund mit Reinigungsanlagen für Abgase aus der Verbrennung von Gasen aus der thermochemischen Umwandlungsanlage, und auch im Verbund mit der Reinigung von Stall-Abluft – eine Reihe von wertvollen weiteren Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Verfahren der Aktivkohle-Herstellung:
- • Alle einzelnen erfindungsgemäßen Verfahrensstufen sind mit wenig Aufwand zu warten und zu überwachen. Sie sind daher nicht nur in Großbetrieben sondern auch z. B. in landwirtschaftlichen Betrieben wirtschaftlich anwendbar.
- • Durch Trocknung der ursprünglichen Rohstoffe, durch die dabei und bei der teilweisen Verbrennung erfolgende weitgehende Entkeimung, sowie durch Nutzung der sauerstoffhaltigen Abgase aus der Trocknung in der thermochemischen Umwandlungsanlage wird eine nicht unerhebliche Verbesserung der Umwelthygiene in der Landwirtschaft wie auch in einer Kläranlage erreicht, denn die mögliche Ausbreitung von Krankheiten und Seuchen durch herkömmliches Ausbringen von Klärschlamm, Stallmist und Gülle, sowie das Entweichen von Staub, von chemischen oder anderen Schadstoffen und nicht zuletzt auch von üblen Gerüchen in die Umwelt werden stark eingeschränkt.
- • Für die Trocknung feuchter Rohstoffe können Abwärme aus der thermochemischen Umwandlung und/oder Abgas eines nachgeschalteten Gasbrenners sowie auch andere Wärmequellen eingesetzt werden.
- • Nach einer Trocknung mit Heißluft können Rohstoffe aus einem landwirtschaftlichen Betrieb umweltschonend zum Vermischen und Formen in Großanlagen gebracht werden; die Presslinge werden danach zurückgebracht und vorteilhaft im Verbund mit der Trocknungsanlage in der thermochemischen Umwandlungsanlage zu Dünger-Kohle verarbeitet. Abgase, Kondensate und Abwärme der Trocknungsanlage werden zweckmäßig bei der Herstellung der Dünger-Kohle eingesetzt, die gewonnene Überschuss-Energie der Verbundverfahren kann im landwirtschaftlichen Betrieb verwertet oder beispielsweise nach einer Verstromung verkauft werden.
- • Der teilweise zu Aktivkohle umgewandelte Rohstoff kann im noch glühenden Zustand – vorteilhaft bei etwa 400°C – bei der Reinigung von Abgas (21) aus einem der thermochemischen Umwandlungsanlage (10) nachgeschalteten Gasbrenner (20) eingesetzt werden. Die in solchen Abgasen manchmal enthaltenen Dioxine und Furane können in einer der Hagenmaier Trommel ähnlichen Trommel (5) weitgehend beseitigt werden.
- • Erst nach einer solchen Zwischennutzung brauchen die noch glühenden Brennstoffe abgeschreckt (gelöscht) zu werden. Diese erfindungsgemäße schnelle Abkühlung braucht nur bis zu einer solchen Temperatur zu erfolgen, bei der ein Weiterbrennen an der Luft ausgeschlossen ist.
- • Durch Abgabe der Restwärme der nach dem Abschrecken (Löschen) immer noch heißen düngerhaltigen Kohle in einer Reinigungsanlage für Stall-Abluft, z. B. in einem Kamin, können die Durchströmung und der Wirkungsgrad der Abluftreinigungsanlage verbessert werden.
- • Die zu Dünger-Kohle verarbeiteten Rohstoffe können wirtschaftlich zwischengelagert oder vermarktet werden.
- • Das Ausbringen der Dünger-Kohle auf landwirtschaftliche Böden kann mit üblichen Geräten erfolgen, ohne dass es dabei zu Umweltbelastungen (Staub, Geruch) kommt. Die Kosten für das Ausbringen von Dünger-Kohle sind gegenüber den Kosten für das Ausbringen von herkömmlichem Klärschlamm oder Mist und dergleichen wesentlich vermindert.
- • Insgesamt wird in einem Verbundverfahren aus Landwirtschaft (Forstwirtschaft) und Technik eine erhebliche Menge des ursprünglich von Pflanzen aus der Atmosphäre geholten Kohlendioxids langfristig – wie bei „terra preta” – als Kohlenstoff im Boden festgelegt.
- • In dem oben vorgeschlagenen Verfahrensablauf für Kläranlagen wird sogar mehr Energie als mit der heute üblichen Faulung von Klärschlamm und Verbrennung des Faulgases gewonnen. Kläranlagen können bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sogar Energie verkaufen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202011001454 U1 [0007]
