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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Torrefizieren von Biomasse, und insbesondere einen Torrefizierungsturm, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Torrefizieren nach dem Oberbegriff des Anspruches 13.
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Die Erzeugung von Energie durch die Verbrennung von Biomasse wird als besonders umweltfreundlich betrachtet. Daher gibt es Bestrebungen, eine größere Menge an Biomasse mit fossilen Brennstoffen gemeinsam zu verwerten. Dazu wird Biomasse getrocknet und torrefiziert, sodass sie dem Brennstoff Kohle ähnlicher wird, d.h. der spezifische Brennwert steigt, die Neigung Feuchtigkeit aufzunehmen sinkt und eine Zermahlung für die Staubfeuerung benötigt einen kleineren Energieeintrag. Neben diesen Aspekten lassen sich torrefizierte Materialien, insbesondere Holz, in Großkraftwerken deutlich besser verbrennen, da sich der Flammpunkt dem der Kohle annähert und somit die Steuerung einer Brennkammer im Zuge der großindustriellen Verbrennung erleichtert wird. Daneben weisen torrefizierte Materialien ein deutlich geringeres Gewicht auf und lassen sich nach der Torrefizierung kostengünstiger transportieren und manipulieren. Die Verpressung torrefizierter Biomasse zu Pellets, insbesondere für einen vereinfachten Transport, ist ebenfalls mit geringerem Energieaufwand verbunden.
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Diese Vorteile müssen durch einen erheblichen energetischen und wirtschaftlichen Aufwand für die genannten Verfahrensschritte erkauft werden.
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Die Erfindung betrifft eine thermische Vorbehandlung, Torrefizierung genannt, von kohlen- und wasserstoffhaltigen festen Brennstoffen, die auch in pastöser oder zähfließender Form vorliegen können. Unter Torrefizierung versteht man eine milde thermische Behandlung von Brennstoffen unter Sauerstoffabschluss oder bei geringen Sauerstoffgehalten bei Temperaturen von 220°C bis 350°C. Die notwendige Verweilzeit, um eine vollständige Torrefizierung des Brennstoffs zu erreichen, liegt zwischen 15 und 120 Minuten. Die Verweilzeit wird bestimmt durch den Brennstoff selbst, die Partikelgröße des Brennstoffs und der Wärmeübertragungscharakteristik des Verfahrens.
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Torrefizierungsvorgänge haben weiterhin den Nachteil, dass sie langwierig sind (mehrere Minuten) und dass das Material während der Torrefizierung einen gewissen Temperaturbereich (Start einer exothermen Reaktion unter Luftabschluss) nicht übersteigen darf. Auch ist in einem kontinuierlichen Prozess die Abgrenzung und Abdichtung zwischen der inerten Torrefizierung und nicht inerten Bereichen schwierig.
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Bekannt sind Trocknungstürme, die das Material langsam und etagenweise von oben nach unten fördern, zum Teil mit einer innen liegenden Hohlwelle zur Einführung der Trocknungsluft (z.B.
DE 362 358 A ,
DE 506 982 A ,
DE 521 778 A ,
DE 16 08 008 A ,
DE 16 66 714 U ,
DE 36 40 610 A1 und
DE 30 28 263 A1 ). Diese oben genannten Anlagen sind aber keine Torrefizierungstürme, sondern Trocknungstürme. Außerdem erfordern die Anlagen des Standes der Technik einen erheblichen Energieaufwand.
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Dasselbe gilt für
US 2,207,360 A , die einen Trocknungsturm mit einem Förderwerk betrifft und
US 4,524,528 A , die einen Trocknungsturm für Getreide mit einem Förderwerk und insbesondere einem Becherwerk betrifft. Auch hier gibt es keine Offenbarung für Maßnahmen zur Verbesserung des Energieverbrauchs bzw. des Wirkungsgrads.
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US 2010/0083530 A1 betrifft einen zweigeteilten Turm zum Trocknen und Torrefizieren von Holz, welches von oben zugeführt wird. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads wird das Abgas aus der Torrefizierung über einen Kondensor und einen Brenner zu einem Wärmetauscher geleitet. Auch diese Anlage kann bezüglich ihres Energieverbrauchs deutlich verbessert werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die technische Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Torrefizierung von Biomasse zu verbessern, und dabei insbesondere den Energieaufwand deutlich zu senken. Gleichzeitig wird das Verfahren zur Torrefizierung von Biomasse beschleunigt und die Umweltbelastung durch die Abgase gesenkt. Die Vorrichtung zur Torrefizierung von Biomasse wird von ihrem Aufbau her vereinfacht, sodass sie insbesondere wenig aufwändig abzudichten, zu inertisieren, zu betreiben und zu überwachen ist.
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Die Lösung für die Vorrichtung besteht aus einer Einleitungsvorrichtung zum Einleiten der Biomasse in die Vorrichtung, einer Hohlwelle mit einer Fördervorrichtung zum Fördern der Biomasse durch die Hohlwelle in einen oberen Teil der Vorrichtung, Torrefizierungsetagen außerhalb der Hohlwelle, die geeignet sind, die Biomasse von dem oberen Teil nach unten absinken zu lassen und einer Rauchgaszuführleitung zum Zuführen von Rauchgas, sodass die Biomasse bei der Förderung in den oberen Teil der Vorrichtung und/oder beim Absinken durch die Torrefizierungsetagen durch das Rauchgas torrefiziert wird.
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Die Lösung für das Verfahren besteht darin, dass Biomasse in eine Vorrichtung zur Torrefizierung eingeleitet wird, Rauchgas in die Vorrichtung zugeführt wird, Biomasse in einer Hohlwelle der Vorrichtung zur Torrefizierung in einen oberen Teil der Vorrichtung durch eine Fördervorrichtung gefördert wird, die Biomasse außerhalb der Hohlwelle von dem oberen Teil der Vorrichtung nach unten, durch mehrere Torrefizierungsetagen etagenweise abgesenkt wird und die Biomasse durch das Rauchgas torrefiziert wird.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu finden.
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Insbesondere werden die oben genannten Aufgaben gelöst durch eine Vorrichtung zur Torrefizierung von Biomasse. Die Vorrichtung ist bevorzugt ein Torrefizierungsturm mit z.B. einer Höhe zwischen 15 und 30 Metern, bevorzugt zwischen 18 und 25 Metern. Die Vorrichtung umfasst eine Einleitungsvorrichtung zum Einleiten der Biomasse in die Vorrichtung, eine Hohlwelle mit einer Fördervorrichtung zum Fördern der Biomasse in einen oberen Teil der Vorrichtung und Torrefizierungsetagen außerhalb der Hohlwelle, die geeignet sind, die Biomasse von dem oberen Teil nach unten absinken zu lassen. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Rauchgaszuführleitung zum Zuführen von Rauchgas, sodass die Biomasse bei der Förderung in den oberen Teil der Vorrichtung und/oder beim Absinken durch die Torrefizierungsetagen durch das Rauchgas torrefiziert wird.
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Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass die Biomasse bereits beim Transport durch die Hohlwelle durch das Rauchgas erhitzt wird. Die Wärmeenergie des Rauchgases wird ausgenutzt, um den Energieverbrauch der Vorrichtung und des Verfahrens zur Torrefizierung von Biomasse zu senken und den Ablauf zu beschleunigen. Der Aufbau der Vorrichtung hat weiter den Vorteil, dass das Rauchgas durch die Biomasse im Gegensatz zu konventionellen Anlagen nicht soweit abgekühlt wird, dass die Teerbestandteile des Rauchgases kondensieren.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Torrefizierungsturms die Förderstrecke einfach abzudichten und zu inertisieren ist. Wenn die Biomasse aus einer Konditionierungsvorrichtung kommt, ist der Transport aufgrund der Entzündungs- und Explosionsgefahr in inerter Atmosphäre notwendig. Würde die konditionierte Biomasse außerhalb des Torrefizierungsturms nach oben gefördert, müssten die Verbindungswege abgedichtet und überwacht werden (inerte Atmosphäre). Dies ist sehr aufwendig, zumal der Torrefizierungsturm eine Höhe von 25 Metern oder mehr haben kann.
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Die Förderung der Biomasse innerhalb des Torrefizierungsturms ist daher aus den folgenden Gründen vorteilhaft. Erstens ist eine inerte Atmosphäre bereits durch die Rauchgase zur Torrefizierung vorhanden. Zweitens wird eine Abdichtung des Torrefizierungsraums (Schnecke, Zellradschleuse) vereinfacht. Drittens ist keine doppelte bzw. zusätzliche Überwachung (Sauerstoff) außerhalb des Torrefizierungsturms notwendig.
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Die Rauchgaszuführleitung kann das Rauchgas gegen oder mit der Richtung der absinkenden Biomasse richten. Unabhängig vom Durchströmungsprinzip wird die Biomasse sowohl bei der Förderung in den oberen Teil des Torrefizierungsturms als auch beim Absinken durch die Torrefizierungsetagen durch das abkühlende Rauchgas torrefiziert.
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Die Einleitungsvorrichtung ist bevorzugt eine Schnecke, die den Vorteil aufweist, dass sie gut abzudichten ist und der Torrefizierungsraum damit inert bleibt. Eine mögliche Alternative wäre auch eine Zellradschleuse mit Förderband.
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Die Fördervorrichtung ist bevorzugt ein Becherwerk oder beispielsweise eine Steilschnecke, ein Trogkettenförderer oder ein Rohrkettenförderer.
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Die Vorrichtung umfasst bevorzugt eine Konditionierungseinrichtung zur Vortrocknung der Biomasse, wobei das Vortrocknen den Vorteil aufweist, dass keine zusätzliche Feuchtigkeit in den Torrefizierungsprozess gelangt und damit energetisch wirtschaftlicher ist.
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Die Vorrichtung umfasst bevorzugt eine Austragsvorrichtung z.B. in der Form einer Zellradschleuse. Wird die torrefizierte Biomasse mit einer solchen Zellradschleuse ausgeschleust, so bleibt die Abdichtung des inerten Raumes erhalten. Das inerte Gas bleibt in der Vorrichtung, die torrefizierte Biomasse wird aus der Vorrichtung herausgefördert.
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Die Vorrichtung umfasst bevorzugt eine Kühlvorrichtung, z.B. in der Form einer Kühlschnecke, da die torrefizierte Biomasse mit einer Temperatur von z.B. ca. 200°C aufgrund der Entzündungs- und Explosionsgefahr nicht direkt einer nicht inerten Atmosphäre ausgesetzt werden darf. Daher kann direkt am Anschluss der Austragsvorrichtung die Kühlvorrichtung vorgesehen sein. Die Kühlvorrichtung wird bevorzugt mit kaltem Rauchgas beschickt und stellt eine inerte Atmosphäre während der Abkühlung der torrefizierten Biomasse auf unter 150°C sicher.
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Die Vorrichtung umfasst bevorzugt neben der Rauchgaszuführleitung zum Zuführen von Rauchgas eine Abgasabführleitung für Abgase nach der Torrefizierung. Die Rauchgaszuführleitung und die Abgasabführleitung können als doppelwandige Rohrleitung ausgeführt werden, um das Kondensieren des Abgases zu verhindern und sicher zu stellen, dass das Abgas gasförmig zu einem Brenner eines Kraftwerks gelangt, um dort thermisch verwertet zu werden.
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Das heiße Rauchgas vor bzw. zu Beginn der Torrefizierung weist bevorzugt eine Temperatur von 300 bis 400°C, weiter bevorzugt von 350°C auf. Das abgekühlte Rauchgas nach der Torrefizierung und außerhalb des Torrefizierturms weist bevorzugt eine Temperatur auf, die 50 bis 100°C kühler als das heiße Rauchgas ist. Die Temperatur des abkühlenden Rauchgases innerhalb des Torrefizierungsturms liegt zwischen den Temperaturen des heißen Rauchgases und des abgekühlten Rauchgases.
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Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die in den begleitenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens zur Torrefizierung von Biomasse,
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2. eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens zur Torrefizierung von Biomasse mit umgekehrter Rauchgasführung, und
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3 einen schematischen Aufbau einer Hohlwelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Torrefizierung von Biomasse.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren im Detail erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Torrefizierung von Biomasse in der Form eines Torrefizierturms. Die Biomasse B wird bevorzugt in der Form heißer Späne mit ca. 100 bis 200°C aus dem Austrag einer optionalen Konditionierungsvorrichtung in Bodennähe zur Spitze des Torrefizierturms 2 inert gefördert. Im Detail, die Späne werden aus der Konditionierungsvorrichtung ausgetragen und mit einer vorzugsweise horizontal angeordneten Einleitungsvorrichtung 1, z.B. in der Form einer Schnecke in den Unterteil des Torrefizierturms 2 gefördert. Der Transport der Biomasse im Inneren des Torrefizierturms 2 findet innerhalb einer zentralen, die Vielzahl an Etagen 7, 7‘, 7‘‘ des Torrefizierturms tragenden Hohlwelle 3 statt. Im Unterteil des Torrefizierturms 1 übernimmt ein mit einer Rotationsvorrichtung 17 bewegtes Becherwerk 5 die Biomasse und hebt sie durch die Hohlwelle 3 in die Spitze des Torrefizierturms 2. Über eine Kippvorrichtung 4 werden die Becher 14 geleert. Mit Hilfe der Gravitation und geeigneter Einbauten gelangt die Biomasse nun außerhalb der Hohlwelle 3 wieder auf den Bodenbereich des Torrefizierturms 2. Dabei wird sie mit Hilfe von aufsteigenden Rauchgasen R1 während des Durchlaufs durch die einzelnen Etagen 7, 7‘, 7‘‘ torrefiziert. Nach der Torrefizierung werden die Rauchgase R2 im Gegenzug zur Biomasse durch die Hohlwelle 3 nach unten geleitet und erwärmen die durch das Becherwerk 5 nach oben transportierte Biomasse.
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Die heißen Rauchgase R1 für die Torrefizierung werden durch eine Rauchgaszuführleitung 11 zum Torrefizierturm 2 geleitet und die kühleren Rauchgase R2 nach der Torrefizierung werden durch die Hohlwelle 3 und anschließend außerhalb des Torrefizierturms 2 in der Form von Abgasen R3 zusammen mit den beim Torrefizieren frei werdenden Torgasen durch eine Abgasabführleitung 13 geleitet, bevorzugt zur Verbrennung in einem Kraftwerk.
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Vorteilhafterweise sind die Rauchgaszuführleitung 11 und die Abgasabführleitung 13 zumindest teilweise als doppelwandige Rohrleitung 12 ausgeführt. Bevorzugt werden dabei die heißen Rauchgase R1 vor der Torrefizierung in einer äußeren Kammer 15 dieser Rohrleitung 12 zum Torrefizierturm geleitet, während die kühleren Abgase R3 nach dem Torrefizierturm zusammen mit den beim Torrefizieren frei werdenden Torrgasen in einer inneren Kammer 16 dieser Rohrleitung 12 zurück zur Verbrennung geführt werden. Diese Anordnung kann aber auch umgekehrt werden.
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Der Austrag von torrefizierter Biomasse B1 aus dem Bodenbereich des Torrefizierturms 2 erfolgt über eine Austragsvorrichtung 10, z.B. in der Form einer Zellradschleuse. Die heißen Rauchgase R1 werden im Torrefizierungsturm 2 zurückgehalten und die torrefizierte Biomasse B1 verlässt diesen mit einer Temperatur von ca. 200°C.
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Die torrefizierte Biomasse B1 mit dieser Temperatur sollte aufgrund der Entzündungs- und Explosionsgefahr nicht direkt einer nicht inerten Atmosphäre ausgesetzt werden. Daher ist bevorzugt direkt am Anschluss der Austragsvorrichtung 10 ein geschlossenes System mit einer Kühlung vorzusehen, das bevorzugt mit kaltem Rauchgas beschickt wird und eine inerte Atmosphäre während der Abkühlung der torrefizierten Biomasse B1 auf unter 150°C sicher stellt. Diese Kühlvorrichtung (nicht gezeigt) kann z.B. eine Kühlschnecke sein.
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1 zeigt im Wesentlichen ein Gegenstromprinzip, in dem das heiße Rauchgas R1 aus der Rauchgaszuführleitung 11 in den Torrefizierturm 2, dort nach oben durch die einzelnen Etagen 7, 7‘, 7‘‘ des Torrefizierturms und dann nach der Torrefizierung der Biomasse als kühleres Rauchgas R2 abwärts entlang des Becherwerkes 5 durch die Hohlwelle 3 strömt. Die Biomasse B wird in den Bechern 14 des Becherwerks 5 gegen die Strömung des Rauchgases R2 nach oben gefördert. Durch das Rauchgas R2 wird die Temperatur der Biomasse gehalten oder erhöht. Die Biomasse wird, oben angekommen, auf die oberste Etage 7 des Torrefizierungsturms geschüttet und dann gezielt über mehrere Etagen 7‘, 7‘‘ ... nach unten gegen die Rauchgasströmung (Rauchgas R1) gefördert. Dabei wird die Biomasse torrefiziert. Das abgekühlte Abgas R3 mit dem Torrgas kann nach dem Torrefizierturm der Verbrennung zugeführt werden.
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Man kann also sagen, dass die Übertragung der Wärme hier im Gegenstromprinzip erfolgt. Das anfangs wärmere Medium (Rauchgas) kühlt sich von der Eintrittstemperatur auf die Austrittstemperatur ab, das anfangs kältere Medium (Biomasse) erwärmt sich von der Eintrittstemperatur auf die Austrittstemperatur.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Form eines Torrefizierturms 2, aber im Gegensatz zur vorherigen Darstellung wird hier ein möglicher, alternativer Rauchgasfluss zum Massestrom (Gleichstromprinzip) dargestellt. Im Gegensatz zur Darstellung in der vorherigen Figur strömen hier das kühlere und das wärmere Medium in die gleiche Richtung. Dabei wird das heiße Rauchgas R1 nicht auf die Etagen 7, 7‘, 7‘‘ des Torrefizierturms gerichtet, sondern durch die Hohlwelle 3 und/oder die Becher 14 des Becherwerks 5 geführt.
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Gemäß 2 strömt das heiße Rauchgas R1 durch die Rauchgaszuführleitung 11 zum Becherwerk 5, wo die vorgetrocknete Biomasse B aufgenommen wird. Innerhalb des Torrefizierungsturms 2 strömt das abkühlende Rauchgas R2 nach oben durch die Hohlwelle 3. Gleichzeitig wird die Biomasse in die gleiche Richtung nach oben gefördert. Durch das sich abkühlende Rauchgas R2 wird die Temperatur der Biomasse erhöht. Die Biomasse wird dann über die Etagen 7, 7‘, 7‘‘ des Torrefizierungsturms nach unten gefördert. Das Rauchgas durchströmt die Etagen 7, 7‘, 7‘‘ dabei in der gleichen Richtung. Das abgekühlte Abgas R3 gelangt durch die Abgasabführleitung 13 zur Verbrennung. Die torrefizierte Biomasse B1 wird mit der Austragsvorrichtung 10 aus dem Torrefizierturm 2 ausgetragen.
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Beim Gleichstromprinzip kann durch die große Temperaturdifferenz am Eingang in besonders kurzer Zeit eine große Wärmemenge übertragen werden. Beim Gegenstromprinzip kann das wärmere Medium aber insgesamt einen größeren Anteil an Wärmemenge auf das kühlere Medium übertragen. Der Energieverlust ist somit deutlich niedriger als im Falle des Gleichstromprinzips.
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Die Eingangstemperatur des Rauchgases R1 beim Gegenstromprinzip kann deshalb um 30 bis 50°C niedriger sein als beim Gleichstromprinzip. 3 zeigt einen möglichen mechanischen Aufbau des Torrefizierturms 2 mit drehbaren Torrefizierungsetagen 7, 7‘, 7‘‘. Das Becherwerk 5 ist innerhalb der feststehenden Hohlwelle 3 montiert. Es findet keine Drehbewegung um die Längsachse statt. Die Hohlwelle 3 ist von einem Rohr 6 in der Form eines Trägerrohrs für die Torrefizierungsetagen 7, 7‘, 7‘‘ umgeben, welches oben und unten durch Lager 8 gelagert ist und an den Außenseiten die Torrefizierungsetagen 7, 7‘, 7‘‘ trägt. Dieses Rohr 6 wird von einem Motor M mittels z.B. einem Zahnkranz oder einer Kette im unteren Bereich außerhalb der Torrefizierungszone des Torrefizierungsturms 2 angetrieben. Damit ist eine gesteuerte und/oder geregelte Drehung der Torrefizierungsetagen 7, 7‘, 7‘‘ aufgrund von Vorgaben und/oder in Abhängigkeit von Prozessparametern möglich. Eine Abdichtung des drehenden Rohrs 6 zum Torrefizierungsbereich geschieht mit den für diesen Fall technisch bekannten Dichtsystemen respektive Dichtungen 9.
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Bezugszeichenliste
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- B
- Biomasse
- B1
- torrefizierte Biomasse
- R1
- Rauchgas
- R2
- Rauchgas
- R3
- Abgas
- M
- Motor
- 1
- Einleitungsvorrichtung
- 2
- Torrefizierturm
- 3
- Hohlwelle
- 4
- Kippvorrichtung
- 5
- Becherwerk
- 6
- Rohr
- 7, 7‘, 7‘‘
- Torrefizierungsetagen
- 8
- Lager
- 9
- Dichtung
- 10
- Austragsvorrichtung
- 11
- Rauchgaszuführleitung
- 12
- Rohrleitung
- 13
- Abgasabführleitung
- 14
- Becher
- 15
- äußere Kammer
- 16
- innere Kammer
- 17
- Rotationsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 362358 A [0006]
- DE 506982 A [0006]
- DE 521778 A [0006]
- DE 1608008 A [0006]
- DE 1666714 U [0006]
- DE 3640610 A1 [0006]
- DE 3028263 A1 [0006]
- US 2207360 A [0007]
- US 4524528 A [0007]
- US 2010/0083530 A1 [0008]
