DE102012109919A1

DE102012109919A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Torrefizierungsanlage für Biomasse

Info

Publication number: DE102012109919A1
Application number: DE102012109919.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Heymanns; Hannes Christoph Strubelt
Original assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Current assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-04-17
Also published as: WO2014060439A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Torrefizierungsanlage für Biomasse. Das Verfahren umfasst das kontinuierliches Messen von zumindest einem Hilfsparameter (HP), das indirekte Ermitteln eines aktuellen Torrefizierungsgrades (TGa) der Biomasse (B1) aus dem Hilfsparameter, das Vergleichen des aktuellen Torrefizierungsgrades (TGa) der Biomasse (B1) mit einem vorbestimmten Sollwert (S) des Torrefizierungsgrades (TGs), und das Regeln der Torrefizierungsanlage (4), sodass der aktuelle Torrefizierungsgrad (TGa) der Biomasse mit dem vorbestimmten Sollwert (S) des Torrefizierungsgrades (TGs) übereinstimmt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Regelung einer Torrefizierungsanlage für Biomasse.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung und Regelung des Torrefizierungsgrades, bzw. zur automatisierten Prozesskontrolle für eine Torrefizierungsanlage für Biomasse.
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.
Diese Vorteile müssen durch einen erheblichen energetischen und wirtschaftlichen Aufwand für die genannten Verfahrensschritte erkauft werden.
Die Torrefizierung ist im Stand der Technik ausreichend erläutert, es sind jedoch nur relativ grobe Möglichkeiten und Verfahren zur Regelung einer Torrefizierung bekannt.
DE 10 2010 036 425 A1 betrifft eine Trocknung und Torrefizierung in einem Etagenofen. In der Trocknungs- und Torrefizierungszone werden die Temperatur und/oder der Gasfluss und/oder die Gasmenge und/oder der Druck gemessen und zur Regelung der Verweilzeit des Materials in den beiden Zonen verwendet. Die Verweilzeit in der Trocknungs- und Torrefizierungszone wird durch Veränderung der Anzahl von Herden, durch Reduktion von Herdflächen, durch Veränderung des Designs und der Anzahl der Transportvorrichtungen oder durch Variation der Drehzahl von Transportvorrichtungen eingestellt. Somit erhält der Fachmann nur die Anleitung die Verweilzeit des kohlenstoffhaltigen Materials zu steuern.
EP 2 189 512 A1 betrifft die Steuerung der Trocknung und Torrefizierung von Biomasse. In der Trocknungs- und Torrefizierungszone werden die Geschwindigkeit der Biomasse, die Temperatur und der Druck gemessen und auch zur Regelung der Geschwindigkeit der Biomasse und der Temperatur verwendet.
DE 10 2011 076 839 A1 betrifft ein Pyrolyseverfahren und eine Vorrichtung zum Verarbeiten von zerstückeltem Material, wobei der Pyrolysegrad und die Pyrolysegeschwindigkeit durch die Mikrowellenleistung zum Erwärmen und die Extrusionsgeschwindigkeit des Materials gesteuert wird. Das Verfahren und die Vorrichtung sollen auch für die Torrefizierung geeignet sein.
Im Stand der Technik wird also nur allgemein auf die Messung einiger Parameter und die Möglichkeit einer Regelung hingewiesen, ohne zu offenbaren, wie genau diese Messung der Parameter und diese Regelung umgesetzt werden soll. Insbesondere ermöglicht die Messung der Temperatur keine echte Regelung, da die Temperatur als Sollwert des Verfahrens voreingestellt wird. Dasselbe gilt für eine Messung des Drucks, der abhängig von der Beladung des Reaktors und daher keine echte Regelungsgröße ist.
Eine effektive und leistungsfähige Regelung der Torrefizierung ist jedoch notwendig, um den energetischen und wirtschaftlichen Aufwand für die Torrefizierung zu optimieren. Eine Übertorrefizierung führt zu einer exothermen selbst laufenden Vorrichtung der Biomasse, eine Untertorrefizierung verschlechtert den Wirkungsgrad des Gesamtprozesses und der Anlage und kann nicht das Ziel sein.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die technische Aufgabe, eine effektive und leistungsfähige Regelung der Torrefizierung bzw. eine automatisierte Prozesskontrolle für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Torrefizierung von Biomasse bereitzustellen, und dabei insbesondere den Energieaufwand und damit die Kosten deutlich zu senken. Gleichzeitig wird durch die Automatisierung eine gleichbleibende Produktqualität sichergestellt.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht für das Verfahren in einem kontinuierlichem Messen von Hilfsparametern zur indirekten Ermittlung eines aktuellen Torrefizierungsgrades der Biomasse in einer Berechnungsvorrichtung, Vergleichen des aktuellen Torrefizierungsgrades der Biomasse mit einem vorbestimmten Sollwert des Torrefizierungsgrades und Regeln der Torrefizierungsanlage, sodass der aktuelle Torrefizierungsgrad der Biomasse mit dem vorbestimmten Sollwert des Torrefizierungsgrades übereinstimmt.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht für die Vorrichtung darin, dass zumindest eine Messvorrichtung zum kontinuierlichen Messen eines Hilfparameters von der Biomasse und/oder des Rauch- und/oder Abgases, eine Vorrichtung zum indirekten Ermitteln eines aktuellen Torrefizierungsgrades der Biomasse aus dem Hilfsparameter, eine Vorrichtung zum Vergleichen des aktuellen Torrefizierungsgrades der Biomasse mit einem vorbestimmten Sollwert des Torrefizierungsgrades und eine Regelungsvorrichtung der Torrefizierungsanlage, sodass der aktuelle Torrefizierungsgrad der Biomasse mit dem vorbestimmten Sollwert des Torrefizierungsgrades übereinstimmt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu finden.
Insbesondere wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung und Regelung des Torrefizierungsgrades der Biomasse. Die Anlage zur Torrefizierung ist eine großindustrielle Vorrichtung, meist in der Form eines Torrefizierungsturms zwischen 15 und 25 Meter Höhe.
Bei der Torrefizierung gehen die flüchtigen organischen Bestandteile der Biomasse, wie CO, CO₂, H₂, C₂H₆ und andere organische Säuren, in das Rauchgas über. Damit verliert die Biomasse Masse und Brennwert. Da der Verlust an Masse aber größer ist als der Brennwertverlust, steigt der spezifische Brennwert der Biomasse bei der Torrefizierung an. Der Torrefizierungsgrad der Biomasse, definiert durch den erreichten Masseverlust, bzw. durch den spezifischen Brennwert, wird durch die Verweilzeit der Biomasse im Torrefizierungsturm und der Temperatur des Rauchgases bestimmt. Nach einer gewissen Verweilzeit bei einer definierten Temperatur des Rauchgases, steigt der Torrefizierungsgrad der Biomasse nur noch unwesentlich an. Nach dem Stand der Technik wird die Verweilzeit der Biomasse meist aus der Erfahrung heraus bestimmt. Dies hat zur Folge, dass entweder kein ausreichender Torrefizierungsgrad erreicht wird oder die Verweilzeit der Biomasse im Torrefizierungsturm zu lange ist und damit ein unnötig hoher Energieverbrauch verursacht wird.
Im Gegensatz zu diesem bisherigen Verfahren wird erfindungsgemäß der aktuelle Torrefizierungsgrad ermittellt und mit einem Sollwert verglichen. Mit dieser Regelung wird die kürzeste, notwendige Verweilzeit der Biomasse im Torrefizierungsturm und damit der gewünschte Torrefizierungsgrad bei minimalem Energieaufwand erreicht.
Um den aktuellen Torrefizierungsgrad zu bestimmen, sollte der Brennwert der Biomasse kontinuierlich bestimmt werden. Da aber eine kontinuierliche Bestimmung des Brennwertes unwirtschaftlich ist, werden Hilfsparameter zur indirekten Bestimmung des aktuellen Torrefizierungsgrades gemessen und in einer Berechnungs- und/oder Regelungsvorrichtung in den aktuellen Torrefizierungsgrad umgerechnet oder über Tabellen, gegebenenfalls aus Erfahrungswerten, nachgeschlagen.
Der Masseverlust ist z.B. durch die Massendifferenz der Biomasse vor und nach der Torrefizierung herleitbar. Aufgrund der bei der Torrefizierung entstehenden Torrgase, wie CO bzw. CO₂ und flüchtiger organischer Bestandteile, entsteht eine Massendifferenz zwischen dem Rauchgas am Einlass und dem Abgas (Rauchgas und Torrgas) am Auslass der Torrefizierungsanlage. Aus dieser Massendifferenz kann ein Maß für den aktuellen Torrefizierungsgrad, insbesondere in Abhängigkeit der Masse der Biomasse im Torrefizierungsprozess, abgeleitet werden. Der aktuelle Torrefizierungsgrad wird, wie oben erläutert, kontinuierlich mit einem Sollwert verglichen und dient zur Prozesskontrolle. Die Massendifferenz als Hilfsparameter wird dazu aus den gemessenen Massen am Ein- und Austritt der Torrefizierungsanlage ermittelt. Die Massen werden bevorzugt durch eine Wiegevorrichtung ermittelt, wie z.B. eine Bandwaage, ein Coriolis-Massendurchflussmesser, eine Differentialdosierwaage oder Ähnliches. Besonders bevorzugt umfasst die Differentialdosierwaage eine Stopfschnecke zur inerten Verbindung mit dem Torrefizierungsraum der Torrefizierungsanlage.
Eine alternative Möglichkeit ist die Ermittlung des Gasflusses als Hilfsparameter z.B. mit Hilfe eines thermischen Massendurchflussmessers, der insbesondere zumindest ein beheiztes Messelement und eine Vorrichtung zur Messung der Heizleistung des zumindest einen Messelements umfasst und am Einlass und/oder am Auslass in Verbindung mit einer Temperaturmessung angeordnet ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung des Torrefizierungsgrades ist die Bestimmung der Dichte der Biomasse. Die Dichte wird bevorzugt radiometrisch durch Durchstrahlung mit z.B. Röntgen- oder Gammastrahlung ermittelt. Bei einer bekannten Eingangsdichte der Biomasse kann nur die Dichte der Biomasse nach der Torrefizierung am Ende der Torrefizierungsanlage beim Austritt der Biomasse ermittelt werden. Die Dichte der Biomasse kann aber auch vor und nach der Torrefizierung am Ein- und Ausgtritt der Torrefizierungsanlage ermittelt werden, um eine Dichtedifferenz zu erhalten.
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung des Torrefizierungsgrades ist die Bestimmung der organischen Bestandteile, die aus der Biomasse in das Rauchgas übergegangen sind bevorzugt mit Hilfe eines Infrarot(IR)-Sensors oder mit Hilfe von Gaschromatographie. Die organischen Bestandteile werden bevorzugt vor und nach der Torrefizierung am Gaseinlass und am Gasauslass der Torrefizierungsanlage ermittelt.
Eine andere Möglichkeit zur Ermittlung des Torrefizierungsgrades ist die Ermittlung von einem Hilfsparameter durch Bestimmung des Produktes der Differenzen der Gasmassen und der mittleren Wärmekapazitäten (dm(gas)·dcp) vom Rauchgas vor und/oder vom Abgas nach der Torrefizierung.
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung des Torrefizierungsgrades ist die Bestimmung der Gasmengendifferenz als Hilfsparameter z.B. mit Hilfe des Staudrucks, der Gasgeschwindigkeit oder des Coriolis-Effekts.
Eine nicht abschließende letzte Möglichkeit zur Ermittlung des Torrefizierungsgrades wäre die Bestimmung eines Hilfsparameters durch Bestimmung der organischen Bestandteile des Rauchgases vor und/oder der organischen Bestandteile des Abgases nach der Torrefizierung, beispielsweise mit Ermittlung der organischen Bestandteile mithilfe eines IR-Sensors oder mithilfe von Gaschromatographie.
Die Aufzählung der Möglichkeiten zur Ermittlung des Torrefizierungsgrades ist nicht abschließend. Dem Fachmann sind oder werden weitere Möglichkeiten bekannt. So ist es z.B. auch möglich, die Farben der Biomasse vor und nach der Torrefizierung zu erfassen und miteinander zu vergleichen. Weiterhin ist es möglich, die unterschiedlichen Mess- und Ermittlungsverfahren miteinander zu kombinieren.
Eine Regelungsvorrichtung berechnet aus der Differenz von Nachher- und Vorherwerten den Torrefizierungsgrad und vergleicht ihn mit einem Sollwert. Weicht der Torrefizierungsgrad vom Sollwert ab, wird mit Hilfe des Reglerausgangssignals einer Regelungsvorrichtung die Verweilzeit der Biomasse im Torrefizierungsturm beeinflusst und/oder der Sollwert der Eingangstemperatur des Rauchgases optimiert. Die Verweilzeit wird bevorzugt über die Drehzahl der Etagen und/oder des Schabers des Torrefizierungsturms und/oder die Verstellung anderer Einbauten gesteuert.
Im Gegensatz zu den Verfahren des Standes der Technik wird nur erfindungsgemäß eine echte, kontinuierliche und automatisierbare Regelung und Prozesskontrolle für eine Anlage zur Torrefizierung von Biomasse ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die in den begleitenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschrieben.
Es zeigen:
1 in einem Diagramm schematisch den Zusammenhang zwischen Torrefizierungsgrad, Verweildauer, Masseverlust und Temperatur,
2 eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Torrefizierung von Biomasse und
3 ein vereinfachtes Regelschema.
1 stellt vereinfacht den Zusammenhang zwischen Torrefizierungsgrad, Massenverlust, Verweilzeit und Temperatur der Biomasse während einer Torrefizierung dar. Auf der Ordinate ist die Prozesstemperatur T der Torrefizierung aufgetragen. Die Prozesstemperatur T liegt ca. zwischen 250°C und 350°C. Auf der Abszisse ist die Verweilzeit t der Biomasse im Torrefizeirturm 2 aufgetragen. Ferner werden die Änderungen der Masse m, der Temperatur T(B) und des Torrefizierungsgrades TG der Biomasse über die Verweilzeit t dargestellt.
Zu Beginn des Torrefizierungsvorganges, bei einer angenommenen Prozesstemperatur T von ca. 280°C, erzeugt durch das Rauchgas R1, wird die Biomasse auf ca. 250°C erwärmt. Bis zu dieser Temperatur der Biomasse bleibt die Masse nahezu konstant, da die Biomasse B bereits vorgetrocknet wurde (z.B. ca. 8% Restfeuchte). Erst ab einer Temperatur der Biomasse von ca. 250°C setzt die Torrefizierung ein und die Biomasse verliert Masse m, aufgrund der flüchtigen organischen Bestandteile. Die Temperatur T(B) der Biomasse steigt weiter an. Gleichzeitig steigt der Torrefizierungsgrad TG anfangs steil an und flacht dann schnell ab. Ab einer gewissen Verweilzeit t und einer Temperatur T(B) der Biomasse bringt der weitere, nur geringe Anstieg des Torrefizierungsgrades TG keinen weiteren wirtschaftlichen Nutzen. Dieser Torrefizierungsgrad wird nun als Sollwert TGs festgelegt. Die Verweilzeit der Biomasse wird durch die Regelungsvorrichtung 8 so geregelt, dass die Biomasse B1 am Austritt AM den Sollwerte des Torrefizierungsgrades TGs erreicht hat. Die Festlegung des Sollwertes des Torrefizierungsgrades ist individuell und hängt von mehreren Faktoren ab, wie z.B. die Art der Biomasse, die Anfangsfeuchte, den gewünschten Torrefizierungsgrad des Endproduktes, den Energieverbrauch, etc. Das Erreichen des Sollwertes des Torrefizierungsgrades TGs unter Optimierung der Verweilzeit t und der Prozesstemperatur T führt damit zu einer wirtschaftlichen Optimierung des Torrefizierungsprozesses.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 2 und 3 im Detail erläutert.
2 zeigt einen beispielhaften Torrefizierturm 2 einer Torrefizierungsanlage 4 für Biomasse B. Die Biomasse B wird bevorzugt in der Form getrockneter heißer Späne mit ca. 200°C aus einer Konditioniervorrichtung 6 ausgetragen. Anschließend wird die Biomasse B mit einer horizontal angeordneten Schnecke 1 in den Unterteil des Torrefizierturms 2 gefördert. Der Transport der Biomasse B im Inneren des Torrefizierturms 2 findet innerhalb einer zentralen, die einzelnen Etagen 7 des Torrefizierturms 2 tragenden Hohlwelle 3 statt. Im Unterteil des Torrefizierturms 2 übernimmt eine Fördereinrichtung z.B. in Form eines Becherwerks 5 die Biomasse B und hebt sie durch die Hohlwelle 3 in die Spitze des Torrefizierturms 2. Über eine Kippvorrichtung werden die Becher geleert. Mit Hilfe der Gravitation und geeigneter Einbauten gelangt die Biomasse nun außerhalb der Hohlwelle 3 wieder auf den Bodenbereich des Torrefizierturms 2. Dabei werden sie mit Hilfe von aufsteigenden Rauchgasen R1 torrefiziert. Die Rauchgase R1 gelangen durch eine Zuführleitung 11 in den Torrefizierturm 2 und werden durch die Etagen 7 nach oben durch den Torrefizierturm und danach durch die Hohlwelle 3 wieder nach unten zur Abgasleitung 13 geleitet.
Die torrefizierte Biomasse B1 verlässt den Torrefizierturm durch eine Schleuse 10. Abgase R2 mit den brennbaren Torrgasen aus dem Torrefizierturm werden mittels einer Abgasleitung 13 zur Verbrennung in ein Kraftwerk gefördert. Die Rohrleitung 12 vom Torrefizierturm 2 zur Verbrennung ist bevorzugt zumindest teilweise doppelwandig ausgeführt. Die heißen Rauchgase R1 werden dann in der äußeren Kammer 15 dieser Rohrleitung 12 zum Torrefizierturm 2 geleitet, während die kühleren Abgase R2 zusammen mit den beim Torrefizieren frei werdenden brennbaren Torrefizierungsgasen im Kern 14 dieser Rohrleitung 12 zur Verbrennung geführt werden.
Die Regelungsvorrichtung 8 erhält kontinuierlich Eingaben von Sensoren, die den Massenstrom der Biomasse und/oder des Prozessgases vor und nach der Torrefizierung messen. Die Regelungsvorrichtung 8 berechnet aus der Differenz der Nachher- und Vorherwerte (m(B)/m(B1); QE/QA), Verweilzeit t und Solltemperatur des Rauchgases T(R1) Hilfsparameter HP, die einen Rückschluss auf den aktuellen Torrefizierungsgrad TGa ermöglichen und vergleicht ihn mit einem Sollwert des Torrefizierungsgrades TGs. Weicht der aktuelle Torrefizierungsgrad TGa vom Sollwert des Torrefizierungsgrades TGs ab, so errechnet die Regelungsvorrichtung ein Reglerausgangssignal RA, welches die Verweilzeit t im Torrefizierungsturm beeinflusst und/oder den Sollwert der Eingangstemperatur T(R1) des Rauchgases R1 optimiert. Die Verweilzeit t wird z.B. über die Drehzahl der Etagen 7 und/oder des Schabers des Torrefizierungsturms und/oder die Verstellung anderer Einbauten gesteuert.
Im Detail, wird der Grad der Torrefizierung durch zwei Parameter bestimmt, die Verweilzeit t und die Prozesstemperatur T. Die Verweilzeit t und die Prozesstemperatur T können mit dem Ziel eines einheitlichen Torrefizierungsgrades wie folgt geregelt werden:
Bestimmung der Massedifferenz Δm der Biomasse
Eine genaue Bestimmung der Massedifferenz Δm bzw. des Massenverlustes der Biomasse während der Torrefizierung ist über eine Differenzverwiegung der Masse der Biomasse B mit der Wiegevorrichtung WE und der Biomasse B1 mit der Wiegevorrichtung WA mit sicheren Mitteln möglich. Ein solches Mittel ist z.B. jeweils eine Bandwaage am Ein- und Austritt der Biomasse in und aus dem Torrefizierungsturm, ein Coriolis Massendurchflussmesser, eine Differentialdosierwaage oder Ähnliches. Δm = Masse Biomasse B – Masse Biomasse B1
Bevorzugt wird die Differentialdosierwaage als Stopfschnecke ausgeführt, die eine Trennung der inerten Atmosphäre des Reaktors von der Außenatmosphäre erreicht.
3 zeigt hierzu ein vereinfachtes Regelschema. Die Wiegevorrichtungen WE und WA am Ein- und Austritt der Biomasse in bzw. aus dem Torrefizierungsturm 2 messen kontinuierlich die Massen der Biomassen m(B) und m(B1) am Eintritt EM und am Austritt AM. Aus den beiden Massen m(B) und m(B1) wird die Massedifferenz Δm der Biomasse während der Torrefizierung berechnet. Die aktuelle Massedifferenz Δm ist ein Maß für den aktuellen Torrefizierungsgrad TGa. Der aktuelle Torrefizierungsgrad TGa wird mit dem Sollwert des Torrefizierungsgrads TGs verglichen. Weicht der aktuelle Torrefizierungsgrad TGa vom Sollwert des Torrefizierungsgrads TGs ab, so greift die Regelungsvorrichtung 8 mit einem Reglerausgangssignal RA ein, indem sie die Verweilzeit t im Torrefizierungsturm 2 beeinflusst und/oder den Sollwert Ts(R1) der Eingangstemperatur des Rauchgases R1 optimiert. Die Verweilzeit t wird z.B. über die Drehzahl des Motors M der Etagen 7 und/oder des Schabers des Torrefizierungsturms 2 und/oder die Verstellung anderer Einbauten gesteuert.
Bestimmung des Produktes aus Differenzen der Gasmassen und Differenzen der mittleren Wärmekapazitäten
Bei der Bestimmung der Konzentration c des Torrgases im Abgas R2 nach der Torrefizierung sind starke Fehlereinflüsse aus dem Rauchgas R1 zu beachten. Die Konzentrationen der Einzelkomponenten des Torrgases sind sehr gering, und gleiche Einzelkomponenten können bereits im Rauchgas 1 vorhanden sein (besonders bei Inertisierung mit Schutzgas).
Eine bevorzugte Möglichkeit mit diesen Fehlereinflüssen umzugehen, ist die Messung der Gasmasse über z.B. einen thermischen Massendurchflussmesser. Hier wird ein Differenzwert aus der Massendurchflussmessung am Einlass EG und am Auslass AG gebildet. Jeweils ein beheiztes Messelement wird am Einlass EG und am Auslass AG am Torrefizierungsturm 2 eingebracht und konstant auf der gleichen Temperatur gehalten. Dabei wird die jeweilige Heizleistung, QE und QA, gemessen. Es gilt dabei folgender Zusammenhang: dQ = Δm·dcp·dT dQ = dm(gas)·dcp·dT
Die Temperaturdifferenz dT kann über die Temperaturmessung von den Temperaturen TE und TA am Ein- und Auslass (EG und AG) bestimmt werden. Die Heizleistungsdifferenz dQ kann aus der Differenz der von beiden Sensoren gemessenen Heizleistungen QE und QA am Ein- und Auslass (EG, AG) bestimmt werden. Somit kann der Wert des Produktes [dm(gas)·dcp] bestimmt werden. Dieses Produkt ist ein Maß für den Torrefizierungsgrad.
Dabei ist es von Vorteil, dass zwischen der mittleren Wärmekapazität cp des Rauchgases R1 und der mittleren Wärmekapazität cp von Torrgasen große Unterschiede herrschen. Grob überschlagen ist der cp Wert von Torrgasen etwa doppelt so hoch wie der des Rauchgases R1. Es gilt dann: c = f(dcp) dcp = cp(R1) – cp(R2)
Je größer die Differenz der mittleren Wärmekapazitäten dcp ist, desto größer ist die Konzentration von Torrgasen im Abgas R2.
Die Heizleistungsdifferenz dQ wird aus der Differenz der kontinuierlich gemessenen Heizleistungen QE und QA am Einlass EG und Auslass AG des Rauchgases R1 und des Abgases R2 berechnet. Die Temperaturdifferenz dT wird über die kontinuierliche Temperaturmessung von TE und TA am Einlass EG und Auslass AG des Rauchgases R1 und des Abgases R2 bestimmt. Der Wert des Produktes [dm(gas)·dcp] ist ein Maß für den aktuellen Torrefizierungsgrad TGa. Der aktuelle Torrefizierungsgrad TGa wird mit dem Sollwert des Torrefizierungsgrads TGs verglichen. Weicht der aktuelle Torrefizierungsgrad TGa vom Sollwert des Torrefizierungsgrads TGs ab, so greift die Regelungsvorrichtung mit dem Regelausgangssignal RA ein, indem sie die Verweilzeit t im Torrefizierungsturm beeinflusst und/oder den Sollwert Ts(R1) der Eingangstemperatur des Rauchgases R1 optimiert. Die Verweilzeit t wird z.B. über die Drehzahl des Motors M der Etagen 7 und/oder des Schabers des Torrefizierungsturms 2 und/oder die Verstellung anderer Einbauten gesteuert.
Bestimmung der Dichte
Radiometrische Dichteuntersuchungen arbeiten berührungslos. Sie bestehen z.B. aus einer Röntgenquelle auf der einen Seite der Biomasse und einem hochgenauen Sensor auf der anderen Seite der Biomasse. Die Biomasse wird also durchstrahlt. Je nach spezifischer Dichte und Menge der Biomasse wird mehr oder weniger Röntgenstrahlung von dem Sensor erfasst. Daraus werden dann die Messdaten abgeleitet und einer Auswerteinheit zugeführt. Sind die Dichte d für eine bestimmte Biomasse bekannt, die nach der Torrefizierung erreicht werden soll, ist eine Messeinrichtung am Austritt AM der Biomasse ausreichend. Ist die Dichte d nicht bekannt, ist eine Messung der Dichte d der Biomasse am Eintritt EM und am Austritt AM notwendig. Aus der Dichtedifferenz Δd ergibt sich dann der aktuelle Torrefizierungsgrad TGa. Der aktuelle Torrefizierungsgrad TGa wird mit dem Sollwert des Torrefizierungsgrads TGs verglichen. Weicht der aktuelle Torrefizierungsgrad TGa vom Sollwert des Torrefizierungsgrades TGs ab, so greift die Regelungsvorrichtung mit dem Reglerausgangssignal RA ein, indem es die Verweilzeit im Torrefizierungsturm beeinflusst und/oder den Sollwert der Eingangstemperatur T(R1) des Rauchgases optimiert. Die Verweilzeit t wird z.B. über die Drehzahl des Motors der Etagen 7 und/oder des Schabers des Torrefizierungsturms 2 und/oder die Verstellung anderer Einbauten gesteuert.
Bestimmung der organischen Bestandteile im Abgas
Bei der Torrefizierung von Biomasse werden während des Prozesses organische Bestandteile, wie CO, CO₂, H₂, C₂H₆ und andere organische Säuren, freigesetzt. Damit verändert sich die Zusammensetzung des Rauchgases, welches beim Einlass EG keine oder nur wenige organische Bestandteile enthält. Der Anteil der organischen Bestandteile im Auslass AG ist also ein Maß für den Torrefizierungsgrad.
Die Messung kann mit Messeinrichtungen erfolgen, die nach dem Prinzip der IR-Spektroskopie arbeiten. Durch die Eigenschwingung der Moleküle im Gas wird durch bestimmte Moleküle eine spezifische Wellenlänge des Lichts absorbiert. Über das Lambert-Beersche Gesetz ist ein quantitativer Zusammenhang zwischen Intensität der Absorption und Konzentration des Absorbers gegeben. So kann die Absorption einer bestimmten Wellenlänge in einer bestimmten Intensität einer Konzentration eines bestimmten Stoffes gleichgesetzt werden. Dazu wird das Rauchgas R1 und/oder das Abgas R2 mit einer definierten Strahlung durchstrahlt und das Spektrum nach der Durchstrahlung aufgenommen und mit einer Referenz verglichen. Die Abweichungen entsprechen der qualitativen und quantitativen Gaszusammensetzung. Diese Messung ist im Prozess kontinuierlich möglich. Der Vergleich der Messungen des Rauchgases R1 am Einlass EG und des Abgases R2 am Auslass AG ermöglicht die Bestimmung des Torrefizierungsgrades. Die IR-Spektroskopie ist auch in inertisierter Atmosphäre möglich und erlaubt auch bei sehr geringen Konzentrationen sehr genaue Messungen.
Die Messung kann alternativ mit Hilfe der Gaschromatographie erfolgen. Die Gaschromatographie beruht auf dem Prinzip, dass ein zu messender Stoff, die sog. mobile Phase, durch eine Trennsubstanz, die sog. stationäre Phase, in ihre einzelnen Bestandteile getrennt wird. Diese Einzelbestandteile der mobilen Phase benötigen aufgrund physikalisch-chemischer Zusammenhänge unterschiedlich lange, um die stationäre Phase zu durchströmen. Folglich treten die Einzelbestandteile des Rauchgases zeitlich versetzt am Ende der Trennsäule aus, die die stationäre Phase enthält. Mit Hilfe eines Detektors, z.B. eines Flammionisationsdetektors, wird am Ausgang der Trennsäule ein elektrisches Messsignal erzeugt, der sog. Peak. Über den Zeitpunkt des Peaks kann eine qualitative, und über den Ausschlag und die Breite des Peaks eine quantitative Aussage über die Gaszusammensetzung getroffen werden. Diese Messung ist im Prozess kontinuierlich möglich. Der Vergleich der Messungen des Rauchgases R1 am Einlass EG und des Abgases R2 am Auslass AG ermöglicht die Bestimmung des Torrefizierungsgrades. Die notwendigen regelungstechnischen Eingriffe werden bereits beschrieben.
Bestimmung der Gasmengendifferenz
Während der Torrefizierung werden flüchtige und organische Stoffe freigesetzt und erhöhen damit die Gasmasse. Damit ist auch die Fließgeschwindigkeit des Abgases R2 am Auslass AG größer als die Fließgeschwindigkeit des Rauchgases R1 am Einlass EG. Das heißt, die Differenz der Masse des Rauchgases R1 am Einlass EG und der Masse der Abgase R2 am Auslass AG ist ein Maß für den Torrefizierungsgrad. Um die Gasmengendifferenz zu messen, gibt es mehrere gängige Messeinrichtungen, wie z.B. Staudrucksonden, Gasgeschwindigkeitsmessungen mit Flügelrädern, Massendurchflussmesser auf Basis des Coriolis-Effekts oder Ähnliches.
Staudrucksonden haben den Vorteil, dass sie unempfindlich gegen Verschmutzung sind, auch bei hohen Medientemperaturen verlässlich arbeiten, dynamische Messungen erlauben und kostengünstig sind. Eine Staudrucksonde arbeitet gemäß den Grundlagen der Fluiddynamik. Die Fließgeschwindigkeit einer Flüssigkeit oder eines Gases wird durch das Staurohr als Funktion des Staudruckes gemessen. Der Staudruck (auch dynamischer Druck) ist der Druck, den das strömende Medium durch seine Geschwindigkeit und seine Masse (Dichte) ausübt. Je schneller die Strömung ist, und je größer die Masse (Dichte) der Strömung ist, desto größer ist der Staudruck. Bei der Messung mit einer Staudrucksonde wird ein Zusammenhang zwischen Fließgeschwindigkeit und Druck nach dem Bernoulli-Gesetz hergestellt. Im Ergebnis wird im Gegensatz zu den Verfahren des Standes der Technik erfindungsgemäß eine echte, kontinuierliche und automatisierbare Regelung und Prozesskontrolle für eine Anlage zur Torrefizierung von Biomasse ermöglicht. Eine solche effektive und leistungsfähige Regelung der Torrefizierung ermöglicht es, den energetischen und wirtschaftlichen Aufwand für die Torrefizierung zu senken.
Bezugszeichenliste

1: Schnecke
2: Torrefizierungsturm
3: Hohlwelle
4: Torrefizierungsanlage
5: Becherwerk
6: Konditioniervorrichtung
7: Etagen
8: Regelungsvorrichtung
10: Schleuse
11: Rohrleitung
12: Abgasleitung
13: Kern
14: Äußere Kammer
AG: Auslass
AM: Austritt
B: Biomasse
B1: Biomasse (torrefiziert)
cp(R1): mittlere Wärmekapazität Rauchgas
cp(R2): mittlere Wärmekapazität Abgas
d: Dichte
dcp: Differenz mittlerer Wärmekapazität
dT: Temperaturdifferenz
dQ: Massendurchflussdifferenz
EG: Einlass
EM: Eintritt
HP: Hilfsparameter
m: Masse Biomasse
m(B): Masse Biomasse B
m(B1): Masse Biomasse B1
M: Motor (Antrieb Etagen)
QA: Heizleistung (Austritt)
QE: Heizleistung (Eintritt)
RA: Reglerausgangssignal
R1: Rauchgas (heiß)
R2: Abgas (abgekühlt)
S: Sollwert
t: Verweilzeit
T: Prozesstemperatur
T(B): Temperatur Biomasse
T(R1): Temperatur Soll Rauchgas
TA: Temperatur (Auslass)
TE: Temperatur (Einlass)
TG: Torrefizierungsgrad
TGa: Torrefizierungsgrad (aktuell)
TGs: Torrefizierungsgrad (soll)
WE: Wiegevorrichtung
WA: Wiegevorrichtung
Δm: Massedifferenz
Δd: Dichtedifferenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010036425 A1 [0005]
EP 2189512 A1 [0006]
DE 102011076839 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Regelung einer Torrefizierungsanlage für Biomasse, umfassend die folgenden Schritte: – kontinuierliches Messen von zumindest einem Hilfsparameter (HP) – indirektes Ermitteln eines aktuellen Torrefizierungsgrades (TGa) der Biomasse (B1) aus dem Hilfsparameter – Vergleichen des aktuellen Torrefizierungsgrades (TGa) der Biomasse (B1) mit einem vorbestimmten Sollwert (S) des Torrefizierungsgrades (TGs), und – Regeln der Torrefizierungsanlage (4), sodass der aktuelle Torrefizierungsgrad (TGa) der Biomasse mit dem vorbestimmten Sollwert (S) des Torrefizierungsgrades (TGs) übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hilfsparameter (HP) durch Bestimmung der Massendifferenz (Δm) der Masse (m) der Biomasse (B) vor und/oder der Masse (m) der Biomasse (B1) nach der Torrefizierung ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Massendifferenz (Δm) der Biomasse (B, B1) vor und/oder nach der Torrefizierung durch je eine Wiegevorrichtung (WE, WA) am Eintritt (EM) und am Austritt (AM) der Biomasse (B, B1) in oder aus der Torrefizierungsanlage (4) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hilfsparameter (HP) durch Bestimmung des Produktes der Differenzen der Gasmassen und der mittleren Wärmekapazitäten (dm(gas)·dcp) vom Rauchgas (R1) vor und/oder vom Abgas (R2) nach der Torrefizierung ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Produkt dm(gas)·dcp mithilfe eines thermischen Massendurchflussmessers und der Temperaturen (TE/TA) am Einlass (EG) und/oder am Auslass (AG) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hilfsparameter (HP) durch Bestimmung der Dichtedifferenz (Δd) der Dichte (d) der Biomasse (B) vor und/oder der Dichte (d) der Biomasse (B1) nach der Torrefizierung ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Dichte (d) der Biomasse (B, B1) radiometrisch ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hilfsparameter (HP) durch Bestimmung der organischen Bestandteile des Rauchgases (R1) vor und/oder der organischen Bestandteile des Abgases (R2) nach der Torrefizierung ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die organischen Bestandteile mithilfe eines IR-Sensors oder mithilfe von Gaschromatographie ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hilfsparameter (HP) durch Bestimmung der Gasmengendifferenz des Rauchgases (R1) am Einlass (EG) vor und des Abgases (R2) am Auslass (AG) nach der Torrefizierung ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Gasmengendifferenz mithilfe des Staudrucks, der Gasgeschwindigkeit oder des Corioliseffekts ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Regeln der Torrefizierungsanlage die Verweilzeit (t) der Biomasse (B) in der Torrefizierungsanlage (4) und/oder die Temperatur (TE) des Rauchgases (R1) umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Torrefizierungsanlage (4) einen Torrefizierungsturm (2) umfasst, und das Regeln der Verweilzeit (t) ein Regeln der Drehzahl von Etagen (7) und/oder von Schabern und/oder das Verstellen von Einbauten des Torrefizierungsturms (2) umfasst.
Vorrichtung zur Regelung einer Torrefizierungsanlage (4) für Biomasse, umfassend: – zumindest eine Messvorrichtung zum kontinuierlichen Messen eines Hilfparameters (HP) von der Biomasse und/oder des Rauch- und/oder Abgases, – eine Vorrichtung zum indirekten Ermitteln eines aktuellen Torrefizierungsgrades (TGa) der Biomasse (B1) aus dem Hilfsparameter (HP), – eine Vorrichtung zum Vergleichen des aktuellen Torrefizierungsgrades (TGa) der Biomasse mit einem vorbestimmten Sollwert des Torrefizierungsgrades (TGs), und – eine Regelungsvorrichtung (8) der Torrefizierungsanlage (4), sodass der aktuelle Torrefizierungsgrad (TGa) der Biomasse mit dem vorbestimmten Sollwert des Torrefizierungsgrades (TGs) übereinstimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Wiegevorrichtung (WE, WA) eine Bandwaage, ein Coriolis Massendurchflussmesser, eine Differentialdosierwaage oder ähnliches ist, und eine Differentialdosierwaage insbesondere eine Stopfschnecke zur inerten Verbindung mit der Torrefizierungsanlage (4) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei der thermische Massendurchflussmesser zumindest ein beheiztes Messelement, welches in das Raugas (R1) am Einlass (EG) und/oder in das Abgas (R2) am Auslass (AG) eintaucht, umfasst, und eine Vorrichtung zur Messung der Heizleistungen (QE und/der QA) des zumindest einen Messelements.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Torrefizierungsanlage (4) eine Biomassezufuhrvorrichtung umfasst, die insbesondere eine Zufuhrtrommel oder eine Schnecke (1) ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messvorrichtungen für die Dichte, die Massendifferenz, die Gasmassen, die mittlere Wärmekapazitäten, den Massendurchfluss, der organischen Bestandteile und/oder der Gasmengendifferenz angeordnet sind.