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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Torrefizierung von Biomasse.
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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 Trocknung und die Torrefizierung erkauft werden.
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Die Torrefizierung weist weiterhin die technischen Schwierigkeiten auf, dass sie langwierig ist (mehrere Minuten) und dass die Temperatur der Biomasse 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 der Biomassenverarbeitung schwierig. Eine Torrefizierung in einem Ofen zeigt sich weiterhin sehr abhängig von der Partikelgröße und der Durchmischung der Biomasse im Ofen.
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Bei Versuchen mit einer kurzen Haltezeit für ein wirtschaftliches Torrefizieren bleibt daher ein Rest nicht ausreichend torrefizierter Biomasse im fertigen Produkt. Es ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen schwierig, eine ausreichend lange Haltezeit zur vollständigen Torrefizierung zu realisieren (vgl. 1). Weiterhin führt ein zu langer Verbleib der Biomasse in der Torrefizierung zwar zu einer vollständigen Torrefizierung auch größerer Partikel, allerdings wird bei der Torrefizierung lignozellulosehaltige Biomasse bei kleineren Partikeln das Lignin angegriffen, welches zur Bindung der Partikel im Zuge einer Pelletierung benötigt wird.
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Daraus ergibt sich ein Zielkonflikt aus einer kurzen Haltezeit zur Reduzierung des Energieverbrauchs und des Zeitaufwands gegenüber einer langen Haltezeit für eine ausreichende bzw. vollständige und gleichmäßige Torrefizierung der Biomasse.
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Im Stand der Technik sollen diese Probleme gelöst werden durch eine Zerkleinerung und Torrefizierung in einem Schritt und einer Vorrichtung.
WO 2011/057822 A1 offenbart hierzu eine Vorrichtung zur Erzeugung eines feinkörnigen Brennstoffs aus festen oder pastösen Energierohstoffen durch Torrefizierung und Zerkleinerung. Die Vorrichtung umfasst einen Prallreaktor, eine Zuführungsvorrichtung für heißes Torrefizierungsgas im unteren Bereich des Prallreaktors, eine Zuführungsvorrichtung für feste oder pastöse Energierohstoffe im Kopfbereich des Prallreaktors, eine Abzugsvorrichtung für einen zerkleinerten und torrefizierten Energierohstoffpartikel enthaltenden Gasstrom, sowie eine Abscheide- und Abzugsvorrichtung für zerkleinerte und torrefizierte Energierohstoffpartikel aus dem Gasstrom, der aus dem Prallreaktor abgezogen wird.
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Gemäß
WO 2011/057822 A1 wird die Zerkleinerung und die Torrefizierung der Energierohstoffe in einem Schritt und einer Vorrichtung erledigt. Dieses Verfahren und die Vorrichtung haben sich grundsätzlich bewährt, aber es treten jedoch Probleme bei der Steuerung und Regelung der sich gegenseitig beeinflussenden Torrefizierungs- und Zerkleinerungsabläufe auf. Weiterhin ist der Energieaufwand zur gleichzeitigen Torrefizierung und Zerkleinerung unnötig hoch, da bei der gleichzeitigen Torrefizierung und Zerkleinerung auch noch aufgrund der notwendigen Verweilzeit noch nicht torrefizierte Energierohstoffe zerkleinert werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die technische Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Torrefizierung von Biomasse zu verbessern und dabei insbesondere den Energieverbrauch, den Zeitaufwand und die Kosten deutlich zu senken. Die Vorrichtung und das Verfahren zur Torrefizierung von Biomasse sollen einfacher zu handhaben und insbesondere einfacher zu überwachen und zu steuern sein. Weiterhin wird eine sehr gleichmäßige Torrefizierung der Biomasse angestrebt, welches im Folgenden Homogenisierung genannt wird.
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Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird vom Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen zu finden.
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Das die oben genannten Aufgaben lösende Verfahren umfasst das Vortorrefizieren von Biomasse in einer ersten Vorrichtung auf einen ersten Torrefizierungsgrad zu einer vortorrefizierten Biomasse und Zerkleinern, Fertigtorrefizieren und Homogenisieren der Biomasse auf einen zweiten Torrefizierungsgrad in einer zweiten Vorrichtung zu einer fertigtorrefizierten Biomasse. Unter Homogenisierung wird eine in Partikelgröße und Torrefizierungsgrad sehr gleichmäßige Torrefizierung verstanden.
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Eine Vorrichtung zur Lösung der Aufgabe umfasst eine erste Vorrichtung zum Vortorrefizieren von Biomasse zu einer Biomasse eines ersten Torrefizierungsgrades und eine zweite Vorrichtung zum Zerkleinern, Fertigtorrefizieren und Homogenisieren der vortorrefizierten Biomasse zu einer Biomasse eines zweiten Torrefizierungsgrades.
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Bevorzugt wird die Lösung der Aufgabe verbessert durch eine Vortorrefizierung von Biomasse in einer ersten Vorrichtung auf einen Torrefizierungsgrad von 70 bis 98 %, bevorzugt zwischen 80 und 95 % und am meisten bevorzugt zwischen 88 und 92 % eines Zieltorrefizierungsgrades. Vorzugsweise gefolgt von einer Zerkleinerung, Fertigtorrefizierung und Homogenisierung in einer zweiten Vorrichtung auf einen Torrefizierungsgrad von 100 % des Zieltorrefizierungsgrades. Vorzugsweise kann für das Vortorrefizieren, Zerkleinern, Fertigtorrefizieren und Homogenisieren Rauchgas derselben Temperatur und Zusammensetzung verwendet werden. Der Zieltorrefizierungsgrad ZTG wird im Übrigen in der Figurenbeschreibung genauer erläutert. Die erste Vorrichtung ist bevorzugt ein Ofen und insbesondere ein Torrefizierturm. Die zweite Vorrichtung ist bevorzugt eine Mühle und insbesondere eine Vertikalmühle oder eine prallende Zerkleinerungsvorrichtung.
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Die Erfindung nutzt dabei aus, dass sich die vortorrefizierte Biomasse einfacher als untorrefizierte Biomasse zerkleinern lässt, und dass sich die kleineren Partikel der zerkleinerten Biomasse einfacher als große Partikel auf einen Torrefizierungsgrad von 100 % des Zieltorrefizierungsgrades torrefizieren lassen. Auf diese Weise werden der Energieverbrauch, der Zeitaufwand und die Kosten deutlich gesenkt, während eine sehr gleichmäßige Torrefizierung bzw. Homogenisierung der Biomasse erreicht wird. Insbesondere wird eine kürzere Verweilzeit im Torrefizierungsturm ermöglicht, da größere Partikel nicht vollständig torrefiziert werden müssen. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung eine große Bandbreite von Partikelgrößen verwerten und macht so z.B. eine Vorsortierung unnötig.
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Im Vergleich mit dem Stand der Technik sind die getrennten Abläufe der Vortorrefizierung und der Zerkleinerung, Fertigtorrefizierung und Homogenisierung einfacher zu handhaben und insbesondere einfacher zu überwachen und zu steuern. Eine Gegenüberstellung der Verfahren ist in 2 gezeigt. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird durch die Vortorrefizierung eine erhebliche Energieeinsparung bei der Zerkleinerungsarbeit und bei der Gesamtdauer des Verfahrens erreicht. Auch größere Partikel, die noch nicht einen bestimmten Torrefizierungsgrad erreicht haben, werden nach der Zerkleinerung in kurzer Zeit nachtorrefiziert. Die Partikel werden sowohl in Größe als auch im Torrefizierungsgrad homogenisiert. Weiterhin wird der apparative Aufwand verringert, da die torrefizierte Biomasse und das Gas getrennt abgegeben werden und so keine Abscheide- und Abzugsvorrichtung benötigt wird. Weiterhin wird bevorzugt die Inertisierung während der Vortorrefizierung und der Fertigtorrefizierung aufrechterhalten und so ein wirksamer Schutz vor Staubexplosionen erreicht.
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Das Vortorrefizieren und das Fertigtorrefizieren finden vorzugsweise unabhängig voneinander statt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann weitere Unterschritte des Vortorrefizierens und des Zerkleinerns, Fertigtorrefizierens und Homogenisierens umfassen oder auch weitere Schritte zur Verarbeitung der Biomasse.
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Bei der Fertigtorrefizierung in der zweiten Vorrichtung wird vorzugsweise eine vorbestimmte und geeignete Korngröße für variable Folgeprozesse eingestellt. Diese Folgeprozesse können z.B. Pelletieren, Flugstromvergasung oder Staubverbrennung sein.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Vorrichtung voneinander unabhängige Einlassöffnungen für das Rauchgas zum Vor- bzw. Fertigtorrefizieren aufweist.
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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 den Zusammenhang zwischen dem Torrefizierungsgrad, der Temperatur und der Zeit,
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2 die oben besprochene Gegenüberstellung eines Verfahrens mit einem Prallreaktor gemäß dem Stand der Technik und des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei getrennten Vorrichtungen, und
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3 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines Verfahrens zur Torrefizierung von Biomasse.
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1 zeigt den Zusammenhang zwischen Torrefizierungsgrad, Verlust der Masse m der Biomasse, der Temperatur T, der Zeit t und erklärt den Begriff Zieltorrefizierungsgrad ZTG. Hierbei ist auf der Ordinate der Bereich der Temperatur T (250°C–350°C) aufgetragen, in dem die Biomasse torrefiziert wird. Die Abszisse zeigt die Zeit t, in der die Torrefizierung abläuft. Dargestellt ist zum einen der Anstieg der Temperatur T und zum anderen die Verringerung der Masse m der Biomasse während der Torrefizierung. Die Verringerung der Masse m ist ein Maß für den Torrefizierungsgrad der Biomasse. Bis zu einer Temperatur T von ca. 250°C bleibt die Masse m nahezu konstant, da die Biomasse fast nur die Restfeuchte verliert. Mit steigender Temperatur T verliert die Biomasse dann schnell an Masse m, da die organischen Bestandteile, z.B. organische Säuren, in die Gasphase übergehen. Bei weiterem Anstieg der Temperatur T verringert sich der Verlust der Masse m und die Kurve flacht ab. Ab einer gewissen Zeit t und einer Temperatur T wird der Verbleib der Biomasse in der Torrefizierungsvorrichtung unwirtschaftlich: Linie U. Zu dieser Zeit t ist der größte Teil der Biomasse torrefiziert; bis auf einen Anteil größerer Partikel. Zudem wird jetzt bei der Torrefizierung lignozellulosehaltiger Biomasse bei den kleinen Partikeln das Lignin angegriffen, was für die spätere Verwendung unerwünscht ist. Dieser Torrefizierungsgrad, den man jetzt erreicht hat, ist der Zieltorrefizierungsgrad ZTG, den man zu 100%, mithilfe der Regelung der Torrefizierungvorrichtung, reproduzierbar erreichen will. Der Zieltorrefizierungsgrad ZTG ist also ein Kompromiss aus nahezu vollständiger Torrefizierung der Biomasse und der Wirtschaftlichkeit (Energieverbrauch) des Prozesses.
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2 zeigt schematisch die Gegenüberstellung eines Verfahrens mit gleichzeitiger Torrefizierung und Zerkleinerung gemäß dem Stand der Technik und des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Vortorrefizierung und anschließender Homogenisierung. Im oberen Diagramm für eine gleichzeitige Torrefizierung und Zerkleinerung ist der Zieltorrefizierungsgrad ZTG, die Zerkleinerungsarbeit ZW und die mittlere Zerkleinerungsarbeit mZW über die Verweilzeit tP im Prallreaktor zur Zerkleinerung und Torrefizierung der Biomasse dargestellt. Wie weiter vorne beschrieben, ist die notwendige Verweilzeit im Prallreaktor tP nach dem Stand der Technik unnötig hoch, da der Zieltorrefizierungsgrad von 100% gleichzeitig mit einer gleichmäßigen Zerkleinerung der Biomasse erreicht werden soll. Dies ist regelungstechnisch schwer zu erreichen und wird oft ein Kompromiss zwischen Torrefizierungsgrad und gleichmäßiger Zerkleinerung sein. In dem unteren Diagramm der 2 ist der erfindungsgemäße Ablauf einer Vortorrefizierung und anschließender Homogenisierung dargestellt. Die Biomasse befindet sich zunächst solange, Verweilzeit tT, in der ersten Vorrichtung 10 zur Vortorrefizierung, bis 70%–98%, hier 85%, des Zieltorrefizierungsgrades ZTG erreicht sind. Nun folgt in einer zweiten Vorrichtung 20 die Zerkleinerung, Fertigtorrefizierung und somit die Homogenisierung auf den Zieltorrefizierungsgrad ZTG von 100%. Hier wird nun ausgenutzt, dass sich die vortorrefizierte Biomasse mit einem geringeren Energieaufwand als untorrefizierte Biomasse zerkleinern lässt. Dies zeigen im Diagramm die Kurven der Zerkleinerungsarbeit ZW und der mittleren Zerkleinerungsarbeit mZW. Die notwendige Zerkleinerungsarbeit, ZW und damit auch mZW, ist deutlich geringer als die im oberen Diagramm. Auch ist die Verweilzeit tM in der zweiten Vorrichtung 20 kleiner, da sich kleine Partikel der zerkleinerten Biomasse einfacher als große Partikel auf einen Zieltorrefizierungsgrad ZTG von 100% torrefizieren lassen. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird durch die Vortorrefizierung eine erhebliche Energieeinsparung bei der mittleren Zerkleinerungsarbeit mZW und bei der Gesamtdauer des Verfahrens (tT + tM gegenüber tP) erreicht.
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3 zeigt eine erste Vorrichtung 10 in Form einer Torrefiziervorrichtung zur Vortorrefizierung von Biomasse B. Die Biomasse B wird beispielsweise in der Form heißer Späne mit ca. 200°C aus dem Austrag eines Konditionierturms (nicht gezeigt) in die erste Vorrichtung 10, hier ein Torrefizierturm 2, inert eingebracht. Das heißt die Biomasse B wird aus dem Konditionierturm ausgetragen und mit einer horizontal angeordneten Schnecke 1 in den Torrefizierturm 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 ein Becherwerk 5 die Späne und hebt sie durch die Hohlwelle 3 in die Spitze des Torrefizierungsturms. Über eine Kippvorrichtung werden die Becher geleert. Mit Hilfe der Gravitation und geeigneter Einbauten gelangt die Biomasse nun außerhalb der Hohlwelle 3 wieder in den Bodenbereich des Torrefizierturms 2. Dabei werden sie mit Hilfe der durch die Etagen 7 des Torrefizierturms 2 aufsteigenden Rauchgase R1 aus einer Rohrleitung 11 auf einen ersten Torrefizierungsgrad TG von 70 bis 98 %, bevorzugt zwischen 80 und 95 %, und am meisten bevorzugt zwischen 88 und 92 % des Zieltorrefizierungsgrades ZTG vortorrefiziert. Das Abgas R2 wird im Gegenzug durch die Hohlwelle 3 nach unten zu einer weiteren Rohrleitung 13 geleitet und darin abgeführt.
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3 zeigt weiterhin eine an die erste Vorrichtung 10 angeschlossene zweite Vorrichtung 20 in der Form einer Vertikalmühle. Die Vertikalmühle umfasst mindestens eine Einlassöffnung 21 für die vortorrefizierte Biomasse B1, einen Rotor 22 an einer senkrechten Welle, Außensiebe 23 und mindestens eine Auslassöffnung 24. Die nachtorrefizierte Biomasse B2 wird durch die Auslassöffnung 24 abgegeben, das Abgas R2 wird abgetrennt und unabhängig dazu durch die Rohrleitung 13 abgeführt.
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Die vortorrefizierte Biomasse B1 wird unter Aufrechterhaltung der Inertisierung aus dem Torrefizierturm 2 in die Vertikalmühle gefördert. Die Vertikalmühle weist dazu bevorzugt eine Einlassöffnung 25 für die Rauchgase R1 aus der Rohrleitung 11 auf. Die Vertikalmühle kann allerdings auch mit einem Rauchgas aus einer anderen Zuleitung betrieben werden, welches z.B. eine andere Temperatur und/oder Zusammensetzung aufweist. In der Vertikalmühle erfolgen die Zerkleinerung, Fertigtorrefizierung und Homogenisierung der Biomassespäne auf einen zweiten Torrefizierungsgrad TG von 100% des Zieltorrefizierungsgrades ZTG verbunden mit einer Vergleichmäßigung der Partikelgröße. Der zweite Torrefizierungsgrad TG kann auch zwischen 85 und 100 %, bevorzugt zwischen 95 und 100 %, und am meisten bevorzugt zwischen 99 und 100 % des Zieltorrefizierungsgrades ZTG liegen.
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Die Erfindung nutzt dabei aus, dass sich die vortorrefizierte Biomasse B1 einfacher als untorrefizierte Biomasse B zerkleinern lässt und dass sich die kleineren Partikel der zerkleinerten Biomasse B1 einfacher als große Partikel auf einen Torrefizierungsgrad TG von 100% des Zieltorrefizierungsgrades ZTG torrefizieren lassen. Dies liegt u.a. daran, dass bei einem kleineren Partikel die Erwärmung durch die Prozessgase den Kern des Partikels schneller erreicht wird und auch die Entgasung der Torrgase durch den verringerten Partikeldurchmesser erleichtert wird.
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In der zweiten Vorrichtung kann weiterhin eine vorbestimmte und geeignete Korngröße für variable Folgeprozesse eingestellt werden, wie z.B. Pelletieren, Flugstromvergasung oder Staubverbrennung.
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Die Abgase R2 aus dem Torrefizierturm 2 können durch die Rauchgasleitung 13 zu einer Brennkammer eines Kraftwerks gefördert werden, um die Restwärme und/oder die brennbaren Torrgase in Abgas R2 des Torrefizierungsvorgangs in dem Kraftwerk auszunutzen. Die Rohrleitung vom Torrefizierturm zur Brennkammer kann doppelwandig ausgeführt sein. Die heißen Rauchgase werden z.B. in einer äußeren Kammer 11 dieser Rohrleitung zum Torrefizierturm geleitet, während die kühleren Abgase zusammen mit den beim Torrefizieren frei werdenden Torgase in einer inneren Kammer 13 dieser Rohrleitung zurück zur Brennkammer geführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schnecke
- 2
- Torrefizierturm
- 3
- Hohlwelle
- 5
- Becherwerk
- 7
- Etagen
- 10
- erste Vorrichtung
- 11
- Rauchgaszuführleitung
- 13
- Abgasabführleitung
- 20
- zweite Vorrichtung
- 21
- Einlassöffnung (B1)
- 22
- Rotor
- 23
- Außensiebe
- 24
- Auslassöffnung
- 25
- Einlassöffnung (R1)
- T
- Temperatur
- t
- Zeit
- m
- Masse (der Biomasse)
- ZTG
- Zieltorrefizierungsgrad
- U
- Linie
- TG
- Torrefizierungsgrad
- ZW
- Zerkleinerungsarbeit
- mZW
- mittlere Zerkleinerungsarbeit
- tP
- Verweilzeit (Prallreaktor)
- tT
- Verweilzeit (Torrefizierungsturm)
- tM
- Verweilzeit (Vertikalmühle)
- B
- (vorgetrocknete) Biomasse
- B1
- (vortorrefizierte) Biomasse
- B2
- (fertigtorrefizierte) Biomasse
- R1
- Rauchgas
- R2
- Abgas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/057822 A1 [0007, 0008]
