DE102012105429A1

DE102012105429A1 - Verfahren und Anlage zur Aufbereitung von Biomasse

Info

Publication number: DE102012105429A1
Application number: DE102012105429A
Authority: DE
Inventors: Werner Brosowski; Björn Olaf Assmann
Original assignee: ThyssenKrupp Resource Technologies GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24
Also published as: WO2013189889A1

Abstract

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufbereitung von Biomasse wird diese zunächst wärmebehandelt, insbesondere torrefiziert, sodass der Feuchtigkeitsgehalt auf unter 8 Gew.-% sinkt. Anschließend wird die aufgeheizte Biomasse einer Mühle zugeführt und dort heiß vermahlen, wobei der Mühle zur Kühlung der Biomasse ein Kühlmittel zugeführt wird und die gemahlene Biomasse zusammen mit dem erwärmten Kühlmittel aus der Mühle ausgetragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anlage zur Aufbereitung von Biomasse.
Vor der thermischen Nutzung von Biomassen ist in der Regel eine Zerkleinerung erforderlich, die aufgrund der oftmals zähen und fasrigen Struktur der Biomasse nur sehr schwer und unter hohem Energieaufwand möglich ist.
In der DE 10 2010 045 917 A1 wird die Biomasse einer Schneid- oder Prallmühle zugeführt und dort gleichzeitig getrocknet und zerkleinert. Außerdem wird vorgeschlagen, der Biomasse Mineralien oder Asche für die Zerkleinerung beizumischen, sodass das Verhältnis der in einem nachfolgenden Vergaser gebildeten Schlacke im Bereich von 0,3 bis 1,5 liegt. Außerdem ist dieser Druckschrift zu entnehmen, dass die Biomasse vor der Zerkleinerung torrefiziert oder pyrolysiert werden kann, um sie in einer Mahlvorrichtung für feste Brennstoffe mahlen zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Aufbereitung von Biomasse effizienter zu gestalten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufbereitung von Biomasse wird diese zunächst wärmebehandelt, insbesondere torrefiziert, so dass der Feuchtigkeitsgehalt auf unter 8 Gew.-% sinkt. Anschließend wird die aufgeheizte Biomasse einer Mühle zugeführt und dort heiß vermahlen, wobei der Mühle zur Kühlung der Biomasse ein Kühlmittel zugeführt wird und die gemahlene Biomasse zusammen mit dem erwärmten Kühlmittel aus der Mühle ausgetragen wird.
Die erfindungsgemäße Anlage zur Aufbereitung von Biomasse entsprechend dem obigen Verfahren besteht im Wesentlichen aus einer Wärmebehandlungsvorrichtung zur Wärmebehandlung der Biomasse und einer Mühle, die einen Einlass zur Zuführung der heißen Biomasse aus der Wärmebehandlungsvorrichtung, wenigstens eine Kühlmittelzuführung und einen Auslass zum gemeinsamen Austrag von gemahlener Biomasse und erwärmtem Kühlmittel aufweist.
Durch die Wärmebehandlung der Biomasse wird die Mahlbarkeit erheblich verbessert, so dass auch konventionelle Mühlen zum Einsatz kommen können. Da bei der Wärmebehandlung von Biomasse, insbesondere bei einer Torrefizierung, die Gefahr der Selbstentzündung oder Bildung von Glutnestern besteht, ist eine gezielte Kühlung unablässig. Diese Kühlung erfolgt meist mit sogenannten Kühlschnecken. Durch den schlechten Wärmeübergang torrefizierter Biomassen ist der Durchsatz dieser Kühlschnecken begrenzt, sodass für große Durchsätze eine große Anzahl von Schnecken erforderlich ist. Weiterhin ist für die thermische Nutzung der wärmebehandelten Biomasse eine feine Aufmahlung erforderlich.
Die vorliegende Erfindung schlägt nun vor, die Kühlung und die Mahlung in ein und demselben Aggregat durchzuführen, wobei das verwendete Kühlmittel gleichzeitig auch als Transportmittel zum Austragen der gemahlenen Biomasse dient. Die Kühlung erfolgt zudem in direktem Kontakt mit der zu kühlenden Biomasse und kann daher gegenüber den üblicherweise verwendeten Kühlschnecken wesentlich effektiver durchgeführt werden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Biomasse im Wärmebehandlungsschritt soweit erwärmt, dass sie mit einer Temperatur von wenigstens 200°C der Mühle zugeführt wird. Besonders zweckmäßigerweise ist eine Torrefizierung der Biomasse im Wärmebehandlungsschritt. In der Mühle wird die Biomasse vorzugweise auf eine Partikelgröße < 200 μm, vorzugsweise < 90 μm, vermahlen. Gleichzeitig findet eine Abkühlung um wenigstens 100°C, vorzugsweise auf weniger als 90°C und höchstvorzugsweise auf weniger als 50°C statt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die vermahlende Biomasse und das erwärmte Kühlmittel voneinander getrennt, wobei das erwärmte Kühlmittel bei der Wärmebehandlung der Biomasse im Wärmebehandlungsschritt genutzt werden kann.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die vermahlende Biomasse nach dem Austragen aus der Mühle zu brikettieren oder zu pelletieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Biomasse in der Mühle gemeinsam mit einem mineralischen Stoff oder einem konventionellen Brennstoff vermahlen. Der Anteil des mineralischen Stoffs beträgt dabei vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%. Bei konventionellen Brennstoffen kann der Anteil auch höher, bis zu 90 %, sein. Die Zugabe kann dabei wahlweise vor oder in der Mühle erfolgen. Die gemeinsame Vermahlung mit einem mineralischen Stoff oder einem konventionellen Brennstoff erleichtert die Zerstörung der nadelförmigen Partikel, die bei der Wärmebehandelung, insbesondere bei einer Torrefikation, der Biomassen entstehen. Erfolgt die Mahlung im Verbund mit einem Sichter reichert sich die schwerer mahlbare Komponente im Mahlkreislauf an und somit reichen auch geringe Anteile des mineralischen Stoffs oder des konventionellen Brennstoffs, um die Wirkung der Zerstörung der nadelförmigen Partikel zu erreichen. Als Mühle kommen insbesondere Walzen-, Kugel- oder Rollenmühlen in Betracht.
Die Kühlung erfolgt vorzugsweise durch Zuführung eines Kühlgases, welches dann auch zum Austrag der gemahlenen und gekühlten Biomasse aus der Mühle dient. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Kühlung zusätzlich eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, entweder zusammen mit dem Kühlgas oder separat direkt in die Mühle eingeführt. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente und schnelle Kühlung der Biomasse durch Verdampfung möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
1: ein schematisches Blockschaltbild einer Anlage zur Aufbereitung von Biomasse und
2: eine schematische Ansicht einer Mühle zur Zerkleinerung und Kühlung der wärmebehandelten Biomasse gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Die in 1 dargestellte Anlage zur Aufbereitung von Biomasse 1 umfasst eine Wärmebehandlungsvorrichtung 2 zur Behandlung der Biomasse und eine Mühle 3 zur Mahlung der wärmebehandelten Biomasse 1’. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 2 ist hier als Trocknungs- und/oder Torrefizierungsvorrichtung in Form eines Mehretagenofens ausgebildet und weist im oberen Bereich eine Trocknungszone 2a und im unteren Bereich eine Torrefizierungszone 2b auf. Im Rahmen der Erfindung sind aber auch andere Wärmebehandlungsvorrichtungen, wie beispielsweise ein ATP-Prozessor, denkbar. In der Wärmebehandlungsvorrichtung 2 wird die Biomasse 1 mit einem Heißgasstrom wärmebehandelt, sodass der Feuchtigkeitsgehalt auf unter 8 Gew.-% sinkt. Dies erfolgt zweckmäßigerweise in der Trocknungszone 2a mit einem Heißgasstrom 4. Anschließend gelangt die Biomasse in die Torrefizierungszone 2b und wird dort mit einem weiteren, heißeren Heißgasstrom 5 einer Torrefizierung unterzogen. Die Temperatur des Heißgasstroms 4 zur Trocknung beträgt vorzugsweise 150 bis 200°C, während der Heißgasstrom 5 eine Temperatur von beispielsweise 300 bis 350°C aufweist.
Die aufgeheizte Biomasse 1’ gelangt anschließend mit einer Temperatur von wenigstens 200°C über einen Einlass 30 in die Mühle 3 und wird dort heiß vermahlen. Die Mühle 3, bei der es sich beispielsweise um eine Walzen-, Kugel- oder Rollenmühle handelt, weist eine erste Kühlmittelzuführung 31 zur Zuführung eines Kühlmittels 6, insbesondere eines Kühlgases, auf. Über eine weitere Kühlmittelzuführung 32 kann ein weiteres Kühlmittel 7, insbesondere eine Flüssigkeit, wie Wasser, zugeführt werden. Im Rahmen der Erfindung ist es außerdem denkbar, dass die Flüssigkeit zusammen mit dem Kühlgas über die erste Kühlmittelzuführung 31 aufgegeben wird.
In der Mühle 3 erfolgt eine Abkühlung der aufgeheizten Biomasse 1’ auf weniger als 90°C, vorzugsweise weniger als 50°C. Gleichzeitig wird die Biomasse auf eine Partikelgröße < 200 μm, vorzugsweise < 90 μm vermahlen. Neben der aufgeheizten Biomasse 1’ kann der Mühle noch ein mineralischer Stoff 8, wie Kalkstein oder Quarzsand, oder ein konventioneller Brennstoff 9, wie beispielsweise Steinkohle oder Braunkohle, zugegeben werden, um die Mahlung der Biomasse, bzw. die bei der Torrefizierung gebildeten, nadelförmigen Partikel, leichter aufzumahlen. Der Anteil dieser zusätzlichen mineralischen Stoffe sollte aber bei maximal 20% liegen. Der Anteil konventioneller Brennstoffe kann bis zu 90 % sein. Die Biomasse hat eine Partikelgröße von beispielsweise 10 bis 50mm; und die Größe des mineralischen Stoffs 8 oder des Brennstoffs 9 liegt im Bereich von 1 bis 60 mm.
Das in der Mühle 3 zerkleinerte, aus der wärmebehandelten Biomasse 1’ und ggf. einem mineralischen Stoff 8 oder einem konventionellen Brennstoff 9 bestehende Produkt 10 wird zusammen mit dem zugeführten Kühlmittel einem Abscheider oder Sichter 11 zugeführt und in eine grobe und feine Komponente getrennt. Die grobe Komponente 10a des Produktes 10 wird zur Mühle 3 rezirkuliert.
Die feine Komponente 10b wird zusammen mit dem Kühlmittel 6’ durch den Auslass nach oben ausgetragen und in einem Apparat zur Gas-Feststofftrennung getrennt. Dies sind vorzugsweise Filter, denen ein Zyklon vorgeschaltet sein kann.
Das abgetrennte erwärmte Kühlmittel 6’ wird vorzugsweise zur Wärmebehandlungsvorrichtung 2 zurückgeführt und dort als Heißgasstrom eingeführt.
Die feine Komponente 10b des Produktes 10 kann anschließend beispielsweise in einem Brenn-, Vergasungs-, Kalzinier- oder Schmelzprozess 12 zum Einsatz kommen. Auch eine Brikettierung oder Pelletierung in einer zwischengeschalteten Einrichtung 13 ist denkbar.
2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Mühle 3 mit einem integrierten Sichter 11. Die Mühle ist als Rollenmühle ausgebildet und weist im Wesentlichen einen Mahlteller 33 sowie mehrere darauf abrollende Mahlrollen 34 auf. Die aufgeheizte Biomasse 1’ wird über den Einlass 30 vorzugsweise zentral auf dem Mahlteller 33 aufgegeben und gelangt aufgrund der Fliehkraftwirkung des drehenden Mahltellers unter die Mahlrollen 34. Über eine unterhalb des Mahltellers 33 angeordnete Kühlmittelzuführung 31 wird Kühlmittel 6 in Form von Kühlluft zugeführt und strömt zwischen Mahltellerrand und Gehäusewand 35 nach oben und nimmt dabei das über den Mahltellerrand hinaustretende, zerkleinerte Produkt 10 mit nach oben in den Sichter 11, der das Produkt in die grobe Komponente 10a und die feine Komponente 10b trennt, wobei die grobe Komponente 10a auf dem Mahlteller zurückgeführt wird, während die feine Komponente 10b zusammen mit der Kühlluft 6’ über einen Auslass 36 nach oben ausgeschleust wird. Weiterhin ist eine oberhalb des Mahltellers 33 angeordnete weitere Kühlmittelzuführung 32 vorgesehen, mit der ein Kühlmittel 7, insbesondere Wasser, auf die auf dem Mahlteller 33 befindliche, aufgeheizte Biomasse 1’ aufgebracht wird. Das Wasser wird dabei durch den Kontakt mit der heißen Biomasse sofort verdampfen und dabei einen intensive Kühlung bewirken. Der entstehende Wasserdampf wird dann zusammen mit der Kühlluft 6’ nach oben abgezogen und zusammen mit der Kühlluft ausgeschleust.
Die über die Kühlmittelzuführungen 31 und 32 zugeführten Kühlmittel sind so ausgelegt, dass die Biomasse in der Mühle 3 vorzugsweise um wenigstens 100°C, höchstvorzugsweise auf weniger als 90°C bzw. weniger als 50°C abgekühlt wird. Die zugeführten Kühlmittel, insbesondere gasförmigen Kühlmittel sind vorzugsweise sauerstoffarm (Sauerstoffgehalt < 8%) und inert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010045917 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von Biomasse, wobei a. die Biomasse (1) zunächst wärmebehandelt wird, sodass der Feuchtigkeitsgehalt auf unter 8 Gew.-% sinkt, b. die aufgeheizte Biomasse (1’) einer Mühle (3) zugeführt und dort heiß vermahlen wird, c. der Mühle (3) zur Kühlung der Biomasse ein Kühlmittel (6, 7) zugeführt wird und d. die gemahlene Biomasse zusammen mit dem erwärmten Kühlmittel aus der Mühle (3) ausgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse (1) im Verfahrensschritt a) so erwärmt wird, dass sie mit einer Temperatur von wenigstens 200°C der Mühle zugeführt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse (1’) in der Mühle auf eine Partikelgröße kleiner 200μm vermahlen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse (1’) in der Mühle (3) auf weniger als 90°C abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vermahlene Biomasse und das erwärmte Kühlmittel (6, 7) voneinander getrennt werden und das erwärmte Kühlmittel bei der Wärmebehandlung der Biomasse (1) im Verfahrensschritt a) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vermahlene Biomasse nach dem Austragen aus der Mühle (3) brikettiert oder pelletiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse (1) im Verfahrensschritt a) torrefiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse (1’) im Verfahrensschritt b) gemeinsam mit einem mineralischen Stoff (8) oder einem konventionellen Brennstoff (9) vermahlen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des mineralischen Stoffs (8) im Verhältnis zur wärmebehandelten Biomasse (1’) 5 bis 20 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des konventionellen Brennstoffes bis zu 90 % betragen kann.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mineralische Stoff oder der konventionellen Brennstoff (9) vor der Mühle der wärmebehandelten Biomasse (1’) zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel (6, 7) ein Kühlgas und/oder eine Flüssigkeit zum Einsatz kommt.
Anlage zur Aufbereitung von Biomasse entsprechend dem Verfahren gemäß Anspruch 1, mit a. einer Wärmebehandlungsvorrichtung (2) zur Wärmebehandlung der Biomasse (1) und b. einer Mühle (3), die einen Einlass (30) zur Zuführung der heißen Biomasse (1’) aus der Wärmebehandlungsvorrichtung (2), wenigstens eine Kühlmittelzuführung (31, 32) und einen Auslass (36) zum gemeinsamen Austrag von gemahlener Biomasse und erwärmten Kühlmittel aufweist.
Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Mühle (3) um eine Walzen-, Kugel- oder Rollenmühle handelt.
Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungsvorrichtung (2) durch eine Trocknungs- und/oder Torrefizierungsvorrichtung gebildet wird.