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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Briketts aus zerkleinerter Dendromasse mit einer Extrudereinrichtung, der die Dendromasse über eine Austrag-/Dosiervorrichtung zugeführt wird und einem an die Extrudereinrichtung anschließenden Pressformkanal, in dem ein kontinuierlich austretender Brikettstrang geformt wird, der anschließend weiter behandelt wird und ein Herstellungsverfahren für Briketts, das es ermöglicht aus Holzabfallprodukten qualitativ hochwertige Holzbriketts – ohne Zusätze von Bindemittel – herzustellen. Als Dendromasse bezeichnet man allgemein holzartige Biomasse.
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STAND DER TECHNIK
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Es ist bekannt, dass die Nutzung nachwachsender Rohstoffe zur Energiegewinnung gegenüber der Nutzung fossiler Brennstoffe viele Vorteile hat. Bekannt ist die CO2-Neutralität des Brennstoffs bezogen auf den CO2-Kreislauf (CO2-Bindung bis zur thermischen CO2-Freisetzung), insbesondere bei der hölzernen Biomasse. Aber auch die nachhaltige Rohstoffverfügbarkeit und Rohstoffgewinnung aus heimischen Wäldern stellt gegenüber der endlichen Ressource fossiler Energieträger einen klaren ökologischen Vorteil dar. Vor diesem Hintergrund wird die thermische Energienutzung durch nachwachsende Biomasse einen immer wichtigeren Stellenwert auf dem Energiemarkt einnehmen.
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Neben dem Scheitholz als klassischen Brennstoff, gibt es zunehmend auch Holz in gepresster Form, sogenannte Holzpresslinge (Pellets und Briketts), auf dem Energiemarkt. Ein entscheidender Vorteil gegenüber dem Scheitholz ist, dass die Holzpresslinge eine circa 2 bis 3-fach höhere Energiedichte besitzen und damit verbunden Kosten bei Transport, Logistik, Lagerhaltung einsparen. Die höhere Rohdichte der Holzpresslinge, bewirkt zusätzlich eine längere Brenndauer. Pellets sind rieselfähig und stellen damit einen Ersatz für flüssigen Brennstoff dar. Briketts sind platzsparend da stapelbar. Diese Vorteile werden von vielen Nutzern geschätzt. Zudem zeigen Prüfungen des Emissionsverhaltens von Scheitholz- und Pelletsöfen, dass durch den Einsatz von homogenisiertem Brennstoff (Pellets, Holzbriketts) deutlich geringere Emissionen erzielt werden.
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Als Rohstoff zur Herstellung der Presslinge dient mechanisch zerkleinertes Holz (ohne chemische Zusätze) zum Beispiel Sägennebenprodukte wie Sägemehl, Hackschnitzel, Schwarten, Spreißel und Rinde.
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Es gibt unterschiedliche Herstellungsverfahren und Anlagentypen auf dem Markt, die alle gemeinsam zum Ziel haben, konfektioniertes und konditioniertes Holz unter hohem Druck zu verdichten und in eine definierte Form zu pressen.
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Ein hoher Druck erhöht die Kontaktfläche und Verzahnung von Holzfasern und sperrigen Holzpartikel. Dabei bewirkt die Kohäsion und Adhäsion, sowie die Van-der-Waals-Kräfte (zwischenmolekulare Kräfte zwischen den Atomen bzw. Molekülen) ein Zusammenhalten des verpressten Materials. Kommt zu dem Pressdruck eine entsprechend hohe Temperatur hinzu, kann das im Holz enthaltende Lignin plastifizieren und eine Adsorptionsschicht zu den umgebenden Feststoffen bilden. Die Polymere werden bei der Auskühlung starr und formstabil.
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Neben dem Druck sind Wassergehalt und Fraktionierung des Rohstoffs für die erfolgreiche Herstellung von Briketts entscheidend. Der richtige Wassergehalt ist Grundlage für die selbstbindenden Eigenschaften lignozelluloser Substanzen. Der Wassergehalt sollte nicht mehr als circa 16% betragen. Bei einem zu hohem Wassergehalt sinkt die Brikettdichte.
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Hinsichtlich der Fraktionierung gibt es je nach Herstellungsverfahren erhebliche Unterschiede.
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Betrachtet man den Brikettpressenmarkt, kann man folgende unterschiedliche Pressentypen sowie Herstellungsverfahren unterscheiden: Hydraulische Kolbenpressen, deren erforderlicher Druck durch ein Hydrauliksystem erzeugt wird. Bei dem gängigsten Verfahren wird das Rohmaterial in einen formgebenden Kanal eingeführt und über einen Kolben verdichtet. Der Pressdruck entsteht durch die Wandreibung des gepressten Brikettstranges im Presskanal als Gegendruck zum Kolbendruck und kann durch eine konische Ausführung des Presskanals geregelt werden. Entscheidend ist dabei, dass ein homogener Druck auf das Rohmaterial einwirkt. Ist der entsprechende Kompressionsdruck erreicht, kann das fertige Brikett ausgeworfen werden. Durch diese Technik können runde Briketts erzeugt werden. Andere hydraulische Pressen, die auf gleichem Prinzip arbeiten, erzeugen auch rechteckige Briketts.
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Daneben gibt es mechanische Brikettpressen, die als exzentrische Pressen konstruiert sind. Die dabei eingesetzte Technik beruht auf rotierenden exzentrischen Schwungrädern, die mit einer Kurbelwelle und einem Kolben verbunden sind. Bei jeder Drehbewegung wird die Kraft auf die Kolben übertragen, die in einer oszillierenden Längsbewegung das Rohmaterial im Rhythmus der Drehbewegung (mehrere Hundert Presshübe pro Minute) durch einen konischen Presskanal schlagen. Der erforderliche Druck wird durch die Konizität der Matrizen realisiert. Das Brikett verlässt als Endlosstrang die Anlage. Betrachtet man die Briketts näher, stellt man fest, dass sie aus einzelnen dünnen Pressscheiben bestehen, die beim Abbrennen als solche wieder in Erscheinung treten.
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Neben diesen beiden Herstellungsverfahren können Briketts auch durch Extruderpressen hergestellt werden. Im Unterschied zu den hydraulischen und mechanischen Kolbenpressen, die im Rhythmus der Kolbenschläge das verpresste Material auswerfen, tritt bei der Extruderpresse das verdichtete Material kontinuierlich aus dem Pressformkanal.
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Bei dieser Technik dreht sich ein Schneckenextruder, der für eine kontinuierliche Beschickung, Förderung und Verpressung des Rohmaterials sorgt. Das Rohmaterial wird durch die Schnecke in Richtung Extruderspitze gefördert und dort in einen Pressformkanal gepresst. Der höchste Druck und Reibungskoeffizient wird in der letzten Umdrehung an der Extruderspitze aufgebaut. Die Umdrehungsfrequenz liegt bei circa 600 bis 1000 rpm. Durch die hohe Drehzahl entsteht eine hohe Reibungswärme, die das Rohmaterial in diesem Bereich aufheizt. Zusätzlich ist in der Literatur beschrieben, dass bei bestehenden Extruderanlagen nach Stand der Technik die Späne zusätzlich vorgewärmt werden müssen. Das fertige, noch heiße Brikett wird kontinuierlich aus dem Pressformkanal in Form eines endlosen Brikettstrangs ausgestoßen. Der Brikettstrang wird über eine Schiene zu einer Schnitt- und Brechvorrichtung geführt. Die Formgebung der Briketts erfolgt durch die Querschnittsform des Presskanals und die Ausgestaltung der Extruderspitze (zum Beispiel mit oder ohne Dorn). Läuft die Extruderspitze in einen Dorn aus, so entsteht in der Brikettmitte ein Loch. Die Mehrzahl der auf dem Markt angebotenen extrudierten Briketts ist mit einem Loch versehen. Durch das Loch ist eine bessere Entflammbarkeit möglich. Die Briketts aus solchen Extruderanlagen werden am Markt auch unter dem Namen Pini & Kay angeboten.
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Vergleicht man die Extruderpresse mit den Kolbenpressen, so ist die Extruderanlage leichter, da kein Schwungrad und hin- und herbewegende Teile vorhanden sind. Bei den Extruderpressen ist ein Druck von 1000 bis circa 1500 bar möglich. Die Briketts sind durch das Herstellungsverfahren bedingt außen leicht verkohlt, dadurch ist die Oberfläche wasserabweisend und eine Wasseraufnahme durch Diffusion mit der umgebenden Luftfeuchte findet nur sehr langsam statt. Dies ist bezüglich der Lagerfähigkeit dieser Briketts vorteilhaft. Insgesamt ist die Brikettqualität von den extrudierten Briketts am höchsten, da eine hohe Stabilität und eine hohe Rohdichte einen gleichmäßigen, formstabilen und langen Abbrand sicherstellen.
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Ein Nachteil der Extrudertechnik ist die geringere Toleranz gegenüber dem Wassergehalt des Rohmaterials, der zwischen 7 bis 9% liegen sollte. Anlagen mit einer Kolbenpresse können Rohmaterial mit einem Wassergehalt von bis zu 16% verwerten. Der Brikettkäufer sieht in einem niedrigen Wasseranteil jedoch einen Qualitätsvorteil, da hierdurch das Abbrandverhalten verbessert wird. Ein weiterer Nachteil der Extrudertechnik ist der hohe Verschleiß an der Extruderspitze. Der Verschleiß ist auf die hohe Schneckendrehzahl von 600 bis 1000 rpm zurückzuführen. Mit der hohen Temperatur an der Extruderspitze geht zudem eine sehr starke Rauchgasentwicklung einher, die abgesaugt und gefiltert oder verbrannt werden muss.
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Die Vorteile der Kolbenpressen liegen insbesondere in dem geringen Verschleiß der Anlage und dem damit verbundenen niedrigeren Unterhaltungskosten und Wartungsaufwand der Anlage. Außerdem ist eine höhere Toleranz gegenüber dem Ausgangsmaterial hinsichtlich Wassergehalt und Korngrößenstruktur gegeben. Die Nachteile liegen bei den schlechteren Brenneigenschaften der Briketts, wie Brennwert, Brenndauer und Aschegehalt.
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Eine Reduktion des Verschleißes ist bei geringer Schneckendrehzahl (max. 100 rpm) gegeben. Der Verschleiß hängt, geht man vom selben Rohmaterial aus, vom Umgebungsdruck und von der Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke ab. Da die Druckverhältnisse als gegeben betrachtet werden können, bleibt als wesentliche Einflussgröße an der Schnecke die Schneckendrehzahl. Durch geringe Drehzahl und damit weniger Reibung, entstehen neben weniger Reibungswärme auch weniger Rauchgase. Durch eine geringere Spänetemperatur bleiben allerdings auch die gewünschten selbstbindenden Eigenschaften des Holzes aus, die sich positiv auf den Brikettierprozess auswirken. Die Folge ist eine Verdrehung des Brikettstrangs nach Verlassen des Pressformkanals und eine geringere Dichte des Briketts. Durch die Verdrehung kann das abgelängte Brikett nicht gestapelt werden und entspricht nicht den Vorgaben eines marktkonformen Produktes.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe beziehungsweise das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Briketts aus zerkleinerten Dendromaterial anzugeben, die/das die Herstellung von Briketts mit gleichen herausragenden Qualitätseigenschaften ermöglicht, gleichzeitig ein geringen Verschleiß, eine hohe Leistung und eine reduzierte Rauchgasentwicklung sicherstellt und die Selbstbindungseigenschaften des Holzes ausnutzend eine Herstellung stapelbar abgelängter Briketts ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der von dem unabhängigen Anspruch 1 direkt oder indirekt abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art, zeichnet sich demgemäß dadurch aus, dass ein der Extrudereinrichtung vorgeschalteter Vorwärmreaktor vorhanden ist, dem die Dendromasse über die Austrag-/Dosiervorrichtung zugeführt wird, in dem die Dendromasse homogen erwärmt wird und der die erwärmte Dendromasse der Extrudereinrichtung zuführt.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Vorwärmreaktor so ausgebildet ist, dass neben einer Erwärmung auch eine Komprimierung der Dendromasse stattfindet. Dabei ist ein Kompressionsverhältnis von 1:2 besonders vorteilhaft.
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Zum Erzielen der gewünschten Temperatur des Vorwärmreaktors ist es vorteilhaft, den Vorwärmreaktor von außen zu erhitzen, beispielsweise durch Heizmanschetten.
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Eine konstruktiv besonders einfache und dauerhafte zuverlässige Funktion gewährleistende Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Vorwärmreaktor einen Hohlprofilkörper, insbesondere Zylinder, mit innenliegender drehbar antreibbarer Austrageinrichtung, insbesondere Förderschnecke, aufweist.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Förderschnecke innerhalb des Vorwärmreaktors so auszubilden, dass sie in Förderrichtung zumindest eine stufenweise Verringerung der Gangtiefe und/oder Gangsteigung aufweist.
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Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die innerhalb des Vorwärmreaktors erzeugte Temperatur der Dendromasse 90°C, insbesondere 100°C, erreicht.
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Zur Verbesserung der Förderleistung und des Durchsatzes der gesamten Vorrichtung zeichnet sich eine besonders vorteilhafte Weiterbildung dadurch aus, dass die Innenwandung des Vorwärmreaktors und/oder die Innenwandung der Extrudereinrichtung axiale Nute oder Leisten und/oder Wendelnute oder -leisten zur axialen und radialen Komprimierung der Dendromasse aufweist/aufweisen.
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Um den Verschleiß besonders gering zu halten, zeichnet sich eine besonders bevorzugte Ausgestaltung dadurch aus, dass die Drehzahl der Austrageinrichtung beziehungsweise Förderschnecke (42) des Vorwärmreaktors im Bereich 1 bis 20 Umdrehungen pro Minute, insbesondere im Bereich von circa 5 Umdrehungen pro Minute, liegt und/oder die Drehzahl der Extruderschnecke der Extrudereinrichtung im Bereich zwischen 50 bis 150, insbesondere bei 100 Umdrehungen pro Minute liegt, wobei eine vorteilhafte Ergänzung darin besteht, dass die Extrudereinrichtung im Bereich unmittelbar vor dem Pressformkanal einen konisch sich verjüngenden Bereich aufweist.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung, die eine dauerhaft zuverlässige Funktion der gesamten Anlage gewährleistet, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Steuer-/Regeleinrichtung vorhanden ist, die die Austragsleistung der Extrudereinrichtung und/oder des Vorwärmreaktors in Abhängigkeit der jeweiligen Füllstände von vorgelagerten Zuführeinheiten zwischen einem minimalen Füllstand und einem maximalen Füllstand steuert/regelt.
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Dabei wird bevorzugt eine Füllstandssensorik eingesetzt, bei der beispielsweise mit Hilfe von Drehflügelsensoren jeweils der maximale und der minimale Füllstand im Zuführschacht des Vorwärmreaktors und im Zuführschacht der Extrudereinrichtung erfasst wird. Die Austragsleistung beziehungsweise die Geschwindigkeit der Fördereinheiten innerhalb des Extruders beziehungsweise des Vorwärmreaktors werden abhängig von den Füllständen geregelt, so dass sich die Füllstände in den Schächten immer zwischen der maximalen und der minimalen Höhe einstellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs 10 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind in den von dem unabhängigen Anspruch 10 direkt oder indirekt abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich demgemäß dadurch aus, dass die Dendromasse vor der Zuführung zu der Extrudereinrichtung in einem Vorwärmreaktor thermisch behandelt wird.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Dendromasse innerhalb des Vorwärmreaktors auf eine Temperatur von zumindest 90°C, insbesondere größer als 100°C, über eine vorgegebene Verweilzeit erwärmt wird.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, das Verfahren so auszubilden, dass die Dendromasse innerhalb des Vorwärmreaktors komprimiert wird.
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Besonders hohe Durchsatzleistungen mit einem sehr guten qualitativen Ergebnis lassen sich gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch umsetzen, dass die Dendromasse kontinuierlich durch den Vorwärmreaktor gefördert wird.
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Bevorzugt beträgt der Feuchtigkeitsgehalt der Dendromasse innerhalb des Vorwärmreaktors 6 bis 10%, insbesondere 7 bis 9%. Die Korngröße der Dendromasse liegt bevorzugt im Bereich zwischen 3 bis 15 mm, insbesondere im Bereich zwischen 6 bis 8 mm.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das einen dauerhaft funktionalen Betrieb ohne Störungen gewährleistet, zeichnet sich dadurch aus, dass die Austragsleistung der Extrudereinrichtung und/oder des Vorwärmreaktors in Abhängigkeit des jeweiligen Füllstands zwischen einem maximalen Füllstandswert und einem minimalen Füllstandswert gesteuert beziehungsweise geregelt wird.
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Die Erfindung löst die Aufgabe somit in einem ersten Schritt, indem die fehlende Wärme von Außen zugeführt wird und dies durch einen vorgeschalteten Vorwärmreaktor realisiert wird. Der Vorwärmreaktor ist ein Stahlzylinder, in dessen Inneren die Holzspäne durch eine Schnecke gefördert, komprimiert und erwärmt werden. Durch eine stufenweise Verringerung der Gangtiefe der Schnecke, werden die Späne radial komprimiert und über den Kontaktschluss zur heißen inneren Zylinderoberfläche erwärmt. Zur Verbesserung der Schneckenförderleistung wird die Innenfläche des Zylinders mit axialen Nuten- oder Leisten bzw. Wendelnuten od. -leisten versehen. Der Zylinder wird von Außen durch Heizmanschetten erhitzt. Der im Inneren entstehende Wasserdampf wird nicht abgesaugt, sondern dient als Wärmeleiter einer homogeneren Durchwärmung der Späne.
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Der Vorwärmreaktor besteht neben der Förderschnecke aus der Beschickungseinheit in Form eines Fallschachtes. Hier findet die Übergabe der noch kalten Späne auf die Schnecke statt. Am Ende des Vorwärmreaktors befindet sich ebenfalls ein Übergabefallschacht, der die erwärmten Späne an den Brikettextruder übergibt. Die kontinuierliche Befüllung der beiden Übergabefallschächte wird steuertechnisch über eine mechanische Füllstandssensorik sichergestellt.
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Durch die thermische Vorbehandlung der Späne im Vorwärmreaktor entsteht Wasserdampf, der vorwiegend im Zylinder verbleibt und eine homogene Durchwärmung der Späne bewirkt. Durch diesen Vorgang werden die Holzspäne je nach Holzfeuchte, Temperatur und Einwirkungszeit physikalisch in ihrer Matrix verändert.
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Insbesondere durch den Wasserdampf kommt es zu einer beginnenden Plastifizierung des Lignins und zu einer Hydrolyse von Hemizellulose. Das Lignin wird zu niedrigeren, molekularen Kohlehydraten, Ligninprodukten, Zuckerpolymeren und anderen Derivaten verändert. Diese Produkte wirken bei hohem Druck und hohen Temperaturen als adhäsive Bindemittel. Im Holzverband kommt es zudem zu einer Verhornung der Polysaccharide. Verfahrenstechnisch zeigt sich diese Umformung dadurch, dass sich der Brikettstrang nach Verlassen des Pressformkanals nicht mehr, bzw. nur noch sehr gering, verdreht. Diese Formstabilität ist darauf zurückzuführen, dass die Polymere mit Austritt aus dem Pressformkanal und Abkühlung verfestigen. Die Verfestigung ist um so ausgeprägter, je höher die Temperatur bzw. je länger die Einwirkungszeit im Vorwärmreaktor ist. Weitere Vorteile der Spänevorwärmung sind, eine höhere Brikettierleistung, da die Holzfasern, durch die hohe Temperatur sich ausdehnen, entspannter und biegsamer werden und dadurch der Stromverbrauch gesenkt und die Abnutzung an der Extruderschnecke verringert wird.
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Durch die Installation des Vorwärmreaktors konnte die Extruderleistung von 0,3 t/h auf > 0,6 t/h verdoppelt werden. Der Nachteil einer hohen Spänetemperatur im Extruder ist, dass es selbst bei sehr kurzen Stillständen (wenige Sekunden) zu Verbackungen an der Extruderschnecke kommt, die ein Starten unmöglich machen. Aus diesem Grund wurden Längsnuten in die Innenfläche des Zylinders eingebracht. Durch die Längsnuten kann die Stillstandszeit etwas erhöht werden.
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Die Erfindung erkennt in einem zweiten Schritt, dass durch das Einfräsen von Wendelnuten in die Innenfläche des Extruderzylinders die Funktionalität des Brikettextruders sichergestellt werden kann.
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Durch die Zwischenschaltung des Vorwärmereaktors wird das Herstellungsverfahren insgesamt deutlich verbessert.
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Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den Ansprüchen ferner aufgeführten Merkmale sowie durch die nachstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Die Merkmale der Ansprüche können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, insoweit sie sich nicht offensichtlich gegenseitig ausschließen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
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1 stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Briketts aus zerkleinerter Dendromasse bei der einer Extrudereinrichtung ein Vorwärmreaktor vorgeschaltet ist,
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2 schematische teilweise Darstellung der Vorrichtung gemäß 1 mit höherer Detailgenauigkeit,
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3 schematischer Schnitt durch die Extrudereinrichtung der Fördereinrichtung gemäß 2 in Langschnittführung A-A und
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4 schematischer Längsschnitt durch den Vorwärmreaktor gemäß 2 in Langschnittführung B-B.
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WEGE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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Die Verfahrensschritte zur Herstellung von Premiumholzbriketts mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gemäß 1 und 2 beinhalten vorausgehende und nachgeschaltete Verfahrensschritte.
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Unter vorausgehende Verfahrensschritte sind vorbereitende Schritte der Konditionierung und Konfektionierung des Holzmaterials zu verstehen. Geht man davon aus, dass das Holz in nasser, gehackter Form als Holzhackschnitzel vorliegt, so bedarf es vorab eine Siebung und Zerkleinerung und eine Trocknung des Rohmaterials. Entscheidend für die Funktionalität der Extruderanlage ist eine Konditionierung der Holzspäne auf 6 bis 10% Wassergehalt, wobei ein Wassergehalt von 7 bis 9% die besten Produktionsergebnisse (Qualität/Leistung) erzielt. Das Kornspektrum sollte nach der Zerkleinerung zwischen 3 bis 15 mm liegen, ideal sind 6 bis 8 mm; der Feinanteil (< 3,15 mm) sollte 20% nicht überschreiten. Eine Mischung mit kleineren Partikeln ist von Vorteil, da kleine Partikel Hohlräume füllen und so zu einer höheren Festigkeit beitragen. Zur Herstellung entsprechender Vorkonditionierung und Konfektionierung des Rohstoffs werden ein Sieb (Schwing- oder Rüttelsieb) und eine Hammermühle (auch Schlagmühle genannt), sowie ein Trockner benötigt. Die Trocknung der Späne kann direkt oder indirekt erfolgen. Bei einem Direkttrockner wird heiße Luft mit nassem Material gemischt (zum Beispiel Band- oder Trommeltrockner). Bei einem indirekten Trocknungsverfahren (zum Beispiel Röhrenbündeltrockner) wird nasses Material nicht mit heißer Luft, sondern über ein heißes Trägermedium (zum Beispiel metallische Oberfläche) und dem Kontaktschluss getrocknet. Alle Anlagenteile zur Vorbehandlung sind in verschiedenster Ausführung im Handel erhältlich und als Verfahren hinlänglich bekannt.
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Das eigentliche Verfahren zur Herstellung von Extruderbriketts beginnt mit dem beschriebenen Ausgangsmaterial in einem Vorratsbehälter 11 (siehe 1). Der Behälter 11 dient zur Materialpufferung und kontinuierlichen Materialversorgung einer Extrudereinrichtung 16. Die Behältergröße ist abhängig von der Produktionsleistung der Extrudereinrichtung 16. Ein Volumen von mindestens 3 Kubikmeter ist vorteilhaft. Die Austragungsmenge ist relativ genau dosierbar (zum Beispiel ≥ 50 g/sec.). Ein geeignetes Austragsverfahren ist beispielsweise über eine Schneckenbodenaustragseinrichtung 12 verwirklicht. Über eine Füllstandssensorik des Behälters 11 wird die Beschickung und Füllstand des Behälters 11 sicher gestellt. Die Schneckenbodenaustragseinheiteinrichtung 12 des Behälters 11 fördert das Rohmaterial in einen ersten Fallschacht 13, der das Material auf einen Vorwärmreaktor 14 übergibt.
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Der Fallschacht 13 dient der kontinuierlichen Beschickung und als Materialpuffer des Vorwärmreaktors 14 und ist daher mit entsprechender Füllstandssensorik ausgestattet. Der Vorwärmreaktor 14 nimmt das Rohmaterial aus dem Fallschacht 13 auf, erwärmt, fördert und komprimiert es. Der Vorwärmreaktor 14 ist von Heizmanschetten 44 umgeben, um eine Spänetemperatur von circa 100°C zu erreichen. Die kontinuierliche Förderung und Komprimierung übernimmt eine im Zylinder 40 des Vorwärmreaktors 14 drehbare antreibbare Förderschnecke 42.
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Der Auswurf der heißen Späne erfolgt in einen zweiten Fallschacht 15 auf eine Brikettextrudereinrichtung 16. Auch dieser Fallschacht 15 ist steuertechnisch mit Füllstandssensorik ausgestattet, damit immer ausreichend Material in dem Fallschacht 15 vorhanden ist; dies ist wichtig, da die Extrudereinrichtung 16 nur Späne fördern und Briketts ausstoßen kann, wenn kontinuierlich Material in den Extrudereinrichtung 16 eingespeist wird. Kommt es zu einem Materialabriss, so können die heißen Späne im Innern verbacken und die Anlage verstopfen.
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Die Extruderschnecke 20 der Extrudereinrichtung 16 ist in einem Zylinder 22 drehbar gelagert, der von außen ebenfalls mit Heizmanschetten 24 erwärmt wird. Die Extruderschnecke 20 fördert, komprimiert und erwärmt die Späne ähnlich dem Vorwärmreaktor 14. Die Komprimierung erfolgt durch eine stufenweise Verringerung der Gangtiefe und der Steigung der Schnecke 20, dadurch werden die Späne radial und axial komprimiert und über den Kontaktschluss zur heißen inneren Zylinderoberfläche weiter erwärmt. Die Extruderschnecke 20 mündet an der Extruderspitze, beziehungsweise an dessen aufgesetzten konisch zulaufenden Bereich 26, in einen Pressformkanal 28. Im Bereich der Extruderspitze ist der Zylinder 22 ebenfalls konisch zulaufend. Das durch einen Dorn 54 im Pressformkanal 28 erzeugte Loch bewirkt im Brikettstrang produktionstechnisch eine schnellere Abkühlung der Briketts. Die im Pressformkanal 28 hergestellte Brikettform ist bevorzugt achteckig.
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Sowohl die Austrag-/Dosiervorrichtung 12 des Vorratsbehälters 11, die Förderschnecke 42 des Vorwärmreaktors 14 als auch die Extruderschnecke 20 der Extrudereinrichtung 16 werden jeweils über ein Motorenaggregat M angetrieben.
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Mit der letzten Schneckenwendelumdrehung werden die vorkomprimierten Späne in den Pressformkanal 28 übergeben. Hier wird der höchste Druck (ca. 1000 bar) erreicht und hier findet die formgebende Verdichtung statt. Dabei ist die Form und Länge des Pressformkanals 28 frei wählbar. Wesentliche Faktoren, die den Pressvorgang beieinflussen sind neben Korngröße und Wassergehalt der Späne die Temperatur, der Druck und die Zeit über die dieser Druck aufrecht erhalten wird. Der Druck wird durch die Steigung der Schneckenwendel 30 erzeugt. Die Spänetemperatur während der Komprimierung wird einerseits durch die Vorwärmung und andererseits durch die außen angebrachte Heizmanschette 32 im Bereich des Pressformkanals 28 entscheidend beeinflusst. Die Reibungsenergie (100 rpm) ist dagegen vergleichsweise gering. Die Kompressionszeit wird durch die Verweilzeit der Holzspäne im Pressformkanal 28 erreicht, die einerseits über die Umdrehungsgeschwindigkeit (Vorschub) der Extruderschnecke 20 und andererseits durch die Länge des Pressformkanals 28 erzielt wird. Der Pressformkanal 28 besteht aus Kalibrierhülsen, die modular aufgebaut sind. Mit jeder zusätzlichen Hülse steigt die Kompressionszeit. Die richtige Auswahl der Hülsenlänge ist insbesondere bei unterschiedlichen Holzarten mit unterschiedlicher Rohdichte und Extraktstoffanteil des Holzes entscheidend.
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Ein weiteres Ergebnis von Temperatur und Kompressionszeit ist der Bräunungsgrad der Brikettoberfläche. Die Farbe der Brikettoberfläche ist ein Marketingeffekt und bewirkt gleichzeitig eine Versiegelung der Oberfläche. Der Bräunungsgrad wird entscheidend von der Heizmanschettentemperatur beeinflusst, das heißt je höher die Heizmanschettentemperatur, desto dunkel brauner wird die Brikettoberfläche. Vor dem Austritt der Briketts aus der Extrudereinrichtung 16 ist zudem ausreichend Platz für sogenannte Leerhülsen vorgesehen.
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Die Briketts verlassen heiß und formstabil die Extruderanlage. Durch die extrem hohe Stabilität der Briketts schon im heißen Zustand, ist nur eine sehr kurze Kühlstrecke 17 vor einer Säge 18 erforderlich. Um jedoch bei Störungen und Montagearbeiten ausreichend Bewegungsfreiheit zu haben, ist eine kleine (< 100 cm) Kühlstrecke 17 im Form eines U-förmigen Lochgitters vorgesehen.
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Der Endlosbrikettstrang wird zur Ablängung der Kreissäge 18 zugeführt. Dabei erkennt eine Ablängsensorik die voreingestellten, marktkonformen Längen (zum Beispiel 20 cm) und fixiert den Brikettstrang mit pneumatisch angetriebenen Kolbenzylindern. Der gesamte Sägeblock fährt durch den Vorschub des Brikettstrangs mit, ein rotierendes Sägeblatt der Säge 18 längt das Brikett ab. Die Sägevorrichtung 18 ist komplett eingehaust und wird über eine Absaugung 19 abgesaugt, da die Briketts Wasserdampf und Rauchgase abgeben. Die abgelängten Briketts werden in nachgeschalteten Verfahrensschritten V zu verkaufsfertigen Einheiten verpackt. Je nach Verpackungsart ist eine vorherige passive oder aktive Abkühlung erforderlich. Für eine Folienverpackung muss die Briketttemperatur auf mindestens 80°C abgekühlt sein. Grundsätzlich kann eine Verpackung manuell, semiautomatisch bis vollautomatisch erfolgen. Anlagenteile zur automatisierten Verpackung sind beispielsweise eine Stapeleinheit (zum Beispiel 10 kg-Pakete), eine Banderoliermaschine zur Fixierung der Stapel mit Bänder, ein vollautomatische Folieneinschlag- und Schrumpflinie mit Schrumpftunnel und eine vollautomatisierte Palettierung mit anschließender Folienumwicklung.
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In 3 ist schematisch ein Längsschnitt durch die Extrudereinrichtung 16 dargestellt. Die Extrudereinrichtung 16 besitzt eine durchgehende Förderschnecke 20, die von einem Zylinder 22 umgeben ist, der wiederum von Heizmanschetten 24 umgeben ist. An der Innenwandung des Zylinders 22 sind Wendelnuten 52 eingeformt. Die Förderrichtung verläuft in 3 von rechts nach links. Im vorderen Endbereich der Extruderschnecke 20 ist ein konisch sich verjüngender Bereich 50 vorhanden, der in den Pressformkanal 28 mündet. Im Pressformkanal 28 ist zentral im Inneren ein Dorn 54 vorhanden, so dass der hergestellte Brikettstrang innenseitig eine durchgehende Ausnehmung aufweist.
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In 4 ist in einem Längsschnitt der Vorwärmreaktor 14 dargestellt. Der Vorwärmreaktor weist eine Förderschnecke 42 auf, die von einem Stahlzylinder 40 umgeben ist, der wiederum von Heizmanschetten 44 umgeben ist.
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Im rechten Bereich der Förderschnecke 42, in dem die Dendromasse aufgegeben wird, weist der Achsenkörper der Förderschnecke einen Durchmesser D3 auf, der gegenüber dem Durchmesser D1 im anschließenden Förderbereich geringfügig kleiner ausgebildet ist. Im linken Endbereich der Förderschnecke 42 ist eine stufenartige Verringerung der Gangtiefe der Förderschnecke mit Wendelung gegeben. Der Achskörper der Förderschnecke weist in diesem Bereich einen Durchmesser D2 auf, der deutlich geringer ist als der Durchmesser D1 im übrigen Bereich. Diese stufenweise Verringerung der Gangtiefe führt zu einer gewünschten Vorkomprimierung der Dendromasse innerhalb des Vorwärmreaktors 14.
