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Biomasse, nachwachsender Rohstoff und Verfahren seiner Herstellung sowie Verwendung derselben.
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der nachwachsenden Rohstoffe, der Biomassen, sowie Reste von Biomassen, insbesondere auf einem durch pflanzliches Material durch Kompaktierung hergestellten Presskörper sowie auf eine Vorrichtung zu dessen Herstellung. Allgemein bekannt ist das Pellet als tierische Futtermittel, Brennstoffen zur Energiegewinnung, zur Tierhaltung oder für die industrielle Weiterverarbeitung Verwendung finden.
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Die bekannten Elemente sind in der Regel Elemente, die aus Presslingen hergestellt sind. Die in der Abmessung kleinen Presslinge mit einem maximalen Durchmesser von 10 mm sind technologisch bedingt durch Pelletiereinrichtung in Form von Kollergangpressen mit Ring- und Flachmatritzen hergestellt.
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Beschrieben werden sie in den Patentschriften
US-PS 4824352 ,
WO 93/22132 ,
EP 0710175 . In den Abmessungen größere Elemente werden in Presseinrichtungen hergestellt, welche einen formstabilen Behälter mit einem dem Behälter zugeordneten Presstempel umfassen, dessen Querschnitt im wesentlichen dem freien Querschnitt des Behälters entspricht. Der Presstempel übt dynamische Verdichtungshübe. Entsprechend Vorrichtungen sind bsw. entnehmbar in den Patentschriften
DE 3637769 A1 ,
DE 3926866 A1 ,
DE 20 2006 008 528 U1 .
DE 10 2008 007 818 A1 .
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Der Erfindung näherliegenden Herstellung mit Schneckenpressen sind in den Patentschriften
EP 1113920 , W 00018572 A1,
WO 2010147493 und
DE 10 2006 009 442 A1 beschrieben. Sie weisen zylindrische Kompressionsschnecken auf und stellen allgemeines Gedankengut dar. Die
DE 10 2006 009 442 A1 sei erwähnt für die Verfahrensaufgabe Entwässerung. Die Patentschriften
AU 1993048280 ,
AU 1997036779 und
AU 1997041268 beziehen sich zum Fördern und Verdichten von Abfallmaterial und weisen elastische Elemente auf gegen eine zu große Verdichtung und haben den Nachteil, dass sie die großen Schüttdichteschwankungen und somit Durchsatzschwankungen, die die meisten Biomassen besitzen, nicht ausgleichen.
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Alle bisher bekannten technischen Lösungen, die benannten, wie auch der weitaus größere Teil der nicht benannten Lösungen des Standes der Technik, sind mit nachfolgend beschriebenen Mängeln behaftet.
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Hohe Anforderungen an das Ausgangsmaterial hinsichtlich Faserlänge und Ausgangsfeuchte. Die Herstellung von Qualitätsprodukten durch wirkungsvolle Durchmischung, Zerfaserung und Verdrillung unter der Ausnutzung von Zentrifugalkräften werden nicht erreicht.
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Der Erfindung liegt das Ziel und die Aufgabe zugrunde, eine vielseitig, einsetzbares, preiswertes Formteil zu schaffen.
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Das Formteil soll eine einsatzspezifische Eigenfestigkeit aufweisen mit einer hochwertigen Qualität und soll einen stoffwirtschaftlich wirkungsvollen Einsatz gewährleisten. Die bekannten Elemente sind von minderer Qualität, insbesondere das Qualitätsmerkmal Bindigkeit und Feinanteil beeinflussen die Produkteigenschaften negativ. Gewünschte notwendige Qualität wie Festigkeit, Feuchtigkeitsgehalt, Keimfreiheit, geringer Schadstoffanteil sind nicht erreichbar bzw. mangelhaft. Die Verarbeitung bzw. auch Vorbehandlung ist kostenaufwendig und tragen den speziellen Bedürfnissen des zukünftigen Einsatzes ungenügend Rechnung.
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Im weitern liegt das Ziel und die Aufgabe zugrunde, ein auf der Basis vorgenannter Ziel- und Aufgabe ein einfaches vielseitig einsetzbares und wirtschaftliches Verfahren sowie Vorrichtung vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese Ziel- und Aufgabenstellung dadurch gelöst, dass eine gemäß dieser Erfindungsschrift definierte Biomasse, wie bsw. Abfälle wie Weizenstroh, Bargasse, Sägemehl, Erdnussschalen, Schale von Reis, Baumwollstiele usw. vorzerkleinert auf kleiner 100 mm und 0 bis 10 Gew. Teile Additive wie bsw. Naturkalk, der Vorrichtung zugeführt wird.
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Bevorzugt wird zur Ausführung des Verfahrens eine Vorrichtung mit einem Zuführbehälter mit einen eingreifenden rotierenden Pressorgan das Schüttgut verdichtet bzw. auflockert. Je nach Drehrichtung und Drehzahl und Ausbildung des rotierenden Pressorgans, welches sich über der Beschickungsöffnung der Vorrichtung befindet, wird eine gleichmäßige Verteilung der Biomasse mit einem annähernd konstanten Schüttgewicht voreingestellt. Die Biomasse wird nicht nur vertikal bewegt, sondern je nach dem verdichteten Mischgut alternativ auch in mehreren horizontalen Raumrichtungen bzw. schräg nach oben/unten bewegt und über der Beschickungsöffnung durch Pressdruck oder Schwerkraft der Vorrichtung zugeführt, wobei der Behälter eine nicht definierte Größe und Form besitzt. Gemäß Anspruch 1 erfolgt eine Voreinstellung der Größe der Beschickungsöffnung in axialer und/oder radialen Richtung mit einer Länge von 1,5 bis 3 D und einer Breite von 0.5 bis 2 D die sich in der Regel nach dem Schüttgewicht und der Stampfdicht der Biomasse richtet. Im Zylinder befinden sich axiale Stege in Form einer austauschbaren Passfeder bzw. Nuten, die eine Höhe bzw. Tiefe von 0 bis 20 mm aufweisen. Sie dienen als Verdrehsicherung und als Zerkleinerungsorgan. Das Produkt läuft dadurch nicht ohne Förderung mit der Schnecke um. Die im Zylinder befindlichen radialen Taschen, sowie die in Produktflussrichtung axiale Einzugstasche die keilförmig ausgebildet ist erhöhen und stabilisieren den Produktdurchsatz. Produktaufbau im Beschickungsschacht wird dadurch vermindert. Vorgenannte Regulierungen dienen zur Voreinstellung des Mengendurchsatzes der Vorrichtung und reduzieren Durchsatzschwankungen und Blockierungen der Schnecke der Vorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht weiterhin in der Kombination folgender, an sich bekannter Merkmale:
Förderabschnitt, Verdichtungs- und Misch/Zerkleinerungsabschnitt, Druckaufbau- und Kompressionsabschnitt.
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Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen ist der Zylinder und die Schnecke baugruppenartig aufgebaut, dadurch ist es möglich Schnecke und Zylinder der Verfahrensaufgabe und der zum Einsatz kommenden Biomasse optimal anzupassen. Die erfindungsgemäßen Baugruppen mit einem ersten zylindrischen Abschnitt besitzt eine fliegend gelagerte rotierende Kompressionsschnecke, wobei die Steigung und der Außendurchmesser der Schnecke der Schüttdichte und Stampfdichte der eingesetzten Biomasse dahingehend angepasst wird, dass je kleiner die Schüttdichte und Stampfdichte ist, desto höher ist das Kompressionsverhältnis und der Außendurchmesser der Schnecke. Der nachfolgende zweite Abschnitt besitzt einen kegelförmigen Zylinder mit einer konischen Schnecke. Die Schnecke besteht aus Schneckensegmenten, die axial im Schneckensteg unterbrochen sind, also axial nichtfördernde Bereiche bilden. Durch Distanzscheiben sind sie einstellbar. Durch axiales Verschieben der konischen Schneckensegmente werden die nichtfördernden Bereiche axial und radial voreingestellt. Dadurch ist es möglich den Grad der Zerfaserung bzw. Längsspaltung des Strohes und die Zerkleinerung zu steuern.
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Zwischen kegelförmiger Innenbohrung und konischer Schnecke bildet sich ein Ringkanal mit Biomasse aus.
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Dieser Ringkanal ist fest eingestellt oder durch eine bewegliche, federnde Schnecke oder durch eine Verstelleinrichtung, die durch Prozessparameter gesteuert werden, im Querschnitt variierbar. Überstopfungen der Schnecke und Ausfall des Schneckenantriebes durch Überlast werden dadurch vermieden.
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Erfindungsgemäß nimmt im dritten Abschnitt eine zylindrische Austragsschnecke mit konstanter Steigung und Geometrie die Biomasse auf. Je nach axialer Einstellung der Austragsschnecke ragt die Schnecke im konischen Zylinder hinein und beeinflusst den Füllgrad und somit die Dichte der Biomasse im Schneckengang. Je weiter die Austragsschnecke mit konstanter Steigung im konischen Zylinder hineinragt, desto höher wird der Füllgrad des Schneckenganges. Die Verdrillung der fasrigen Biomasse wird durch axiales und radiales Eintreten der Biomasse in die Austragsschnecke erreicht, wobei die an der Innenfläche im konischen Zylinder axial aufgesetzten Passfedern zusätzlich als Verdrehsicherung und einen konstanten Druckaufbau dienen. Die Endqualität des Biomasseformlings wird in einem letzten Abschnitt durch eine Drossel im Zusammenspiel mit der Länge einer im Querschnitt regulierbaren Führungseinrichtung erreicht. Je Langer dieser Abschnitt ist, desto höher ist die Dichte und die Festigkeit. Dies ist durch den höheren Druck im Zusammenspiel mit Vernetzungsreaktionen zu erklären. Je nach Verfahrensaufgabe erfolgt eine Erhöhung der Festigkeit durch eine Strukturveränderung der Biomasse bei Temperaturen der Pressmasse von 80°C bis 170°C. Neben der Verweilzeiterhöhung mit der Biomassestrukturausbildung mit Vernetzungsreaktionen erfolgt im letzten Abschnitt eine Kühlung und Eingefrieren der Biomassestruktur.
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Im folgendem werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen und Verfahrensbeschreibung erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine Längsansicht einer Ausführungsform
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2 eine Frontansicht einer Vorrichtung
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3 eine Schnittansicht längs der Linie B-B in 2
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4 eine Einzelheit C in 3
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5 eine Schnittansicht E in 1
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6 eine Einzelheit F in 1
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Ausführungsbeispiel 1 (Brikettierung von Stroh)
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Das relativ wenig zerkleinerte Stroh mit einer Längenabmessung unter 150 mm wird der Beschickungseinrichtung (26) zugeführt, wo es mit einer rotierenden Auflockerungseinrichtung (4) mit links- und rechtssteigend angeordneten Schneckenelementen (25) über die Auflockerungseinrichtung (23) der Beschickungsöffnung (15) zugeführt wird.
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Die Öffnung der Beschickungsöffnung (15) ist in axialer Richtung 2 D lang und hat eine Breite von 0,8 D (D = Außendurchmesser der Schnecke). Im ersten Teil der Beschickungsöffnung (15) mit einer Länge von 0,2 D erfolgt die Dosierung von 1,5 bis 2,5% Kalk. Der Kalk hebt den Schmelzpunkt der Asche bei der späteren Verbrennung der der Strohformteile an.
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Die Einzugstaschen und 3 axiale Stege (17) im zylindrischen Verfahrensteil (2) unterstützen den Produkteinzug und bringen mit der Schnecke (24) mit einer Anfangssteigung von 0,5 D den notwendigen Förderdruck auf.
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Im nachfolgenden konischen Verfahrensteil (11) der Vorrichtung erfolgt eine weitere Dichteerhöhung. Um Blockierungen des Strohes und Überlast der sich rotierenden Schnecke (24) zu vermeiden hat die konische Schnecke (12) einen ganglosen Abschnitt. Die konische Schnecke (12) hat eine konstante Steigung und bildet mit dem Außendurchmesser einen Ringspalt (20) von 15 mm. Der entstehende Ringspalt (20), der mit Biomasse gefüllt ist, hat keine aktiven Förderelemente und ist mit den ganglosen Abschnitten so axial eingestellt, dass eine zu hohe Verdichtung und Blockierung vermieden wird.
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Die Erwärmung des Strohes durch die Verdichtung liegt unter 95°C, unter der Temperatur der Wasserdampfbildung.
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Die konische Schnecke (12) bewegt das Stroh in axialer Richtung und wird durch einem konischen Zylinder (18) mit 2 axialen Stegen gegen Verdrehung gesichert. Das nachfolgende zylindrische Verfahrensteil (13) mit zylindrischer Schnecke (14) mit einer Steigung von 0,5 D wird durch das Stroh radial und axial gefüllt.
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Durch die Rotation der Schnecke (12) und das Festhalten des Strohes an der Innenbohrung des konischen Zylinders (18) durch die Stege (19) entsteht eine Verdrillung des Strohes in Verbindung mit einer Längsaufspaltung der Strohhalme. Die Zerfaserung des Strohes wird durch den entstehenden Druck, die Reibekräfte und Wärme unterstützt.
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Das Lignin, welches für die Bindung und Festigkeit verantwortlich ist, wird aufgeweicht (Strukturauflösung) und nachfolgend unter weiterer Druckerhöhung so verdichtet, das die Voraussetzungen für eine neue Strohstruktur mit hoher Festigkeit und einer hohen Dichte vorhanden sind.
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Die Qualität und die Festigkeit wird in der nachfolgenden radial verstellbaren Drossel (8) und in der radial verstellbaren Stau- und Verweilzone (9) voreingestellt. Eine Vernetzung der inneren Struktur (Vernetzungen) erfolgt im Abkühlprozess unter Wasserstoffbrückenbildung.
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Die Strukturbildung (Festigkeit) wird durch Wasserstoffbrückenbildung erreicht und positiv durch vorhandenen Wasserdampf beeinflusst.
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Die Abkühlung und Strukturausbildung erfolgt auf einer Länge von 80 D. System- und prozessbedingt werden Strohformlinge hergestellt, die eine so hohe Festigkeit haben, dass die Zugabe zusätzliche stärkehaltige Substanzen als Bindemittel wie bsw. Melasse nicht notwendig sind.
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Der verfestigte endlose Strang wird in einer Schneideinrichtung auf eine Formteillänge von 4 D geschnitten.
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Ausführungsbeispiel 2 (Einstreu für Tiere)
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Strohpellets sind verschiedenartig einsetzbar. Eine Möglichkeit ist, diese als Einstreu für Pferde- oder Geflügelställe zu nutzen. 1 und 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung. Das Stroh welches eine Ausgangsfeuchte von 10% bis 16% besitzt und auf ca. 100 mm zerkleinert ist wird in der Auflockerungseinrichtung (23) aufgegeben und der Beschickungsöffnung (15) zugeführt. Durch die Anordnung der Schneckenelemente (25), rechts- und linkssteigend erfolgt die Zuführung in Richtung der Beschickungsöffnung (15). Im ersten Teil der Beschickungsöffnung (15) mit einer Länge von 0,2 D erfolgt die Dosierung von Additiven zur Rezeptierung der Strohformteile. Additive sind in der Regel Bitterstoffe (Bittersalz) wie bsw. Magnesiumsulfat, die die Stallhygiene durch Geruchshemmung verbessern. Weiterhin finden Bitterstoffe Anwendung, damit das Stroh nicht vom Tier verzehrt wird. Das Problem der Gefahr einer Schlundverstopfung z. B. beim Pferd oder einer Anschoppungskolik wird reduziert. Die Schnecke (25) im zylindrischen Verfahrensteil (2) nimmt das Stroh und die Additive auf. Die 4 axialen Nuten (17) mit einer Tiefe von 4 mm dienen als Verdrehsicherung und unterstützen den Stroheinzug. Das Stroh wird dadurch störungsfreier von der Schnecke (25) aufgenommen. Die Nuten (17) im Zylinder als Verdrehsicherung garantieren einen sicheren Transport. Dies ist Voraussetzung für die Förderung, Mischen und Zerfaserung im zylindrischen Verfahrensteil (2) und im konischen Verfahrensteil (11). Im konischen Verfahrensteil (11) wird das Stroh durch 3 Stege (19) an der konischen Zylinderinnenwandung gegen Verdrehung gesichert, das Stroh intensiv längs gespalten und zerkleinert. Der Ringkanal (20) wird von 10 bis 15 mm in axialer Richtung eingestellt um Verstopfungen und zu hohe Pressdichte des Materials zu vermeiden. Durch die Zerfaserung und durch die Kompression des Strohes erfolgt im konischen Verfahrensteil (11) und in der zylindrischen Schnecke (14) eine Temperaturerhöhung bis 90°C. Durch die Temperaturerhöhung die bis zum Austritt aus der Vorrichtung sich noch erhöht werden Schimmelpilze und Bakterien abgetötet. Zur Qualitätssicherung erfolgt eine zusätzliche regelbare Zylinderheizung (21), die vor allem bei dem Anfahrprozess für eine konstante Qualität der Strohpellets sorgt. Die Qualität kann durch die Erhöhung bzw. Erniedrigung des Schergefälles zwischen den aktiven Zonen der Verfahrensteile durch die Änderung der Drehzahl der Schnecke (24) verbessert werden. Die zylindrische Schnecke (14) ragt mit einer Länge von 2 Windungen in den konischen Verfahrensteil (11). Die Schneckengänge der zylindrischen Schnecke (14) werden dadurch radial und axial optimal gefüllt und das Stroh wird einer Verdrillung unterzogen, die durch die Stege (19) im konischen Zylinder (18) intensiviert werden. Durch die nachfolgende Drossel (8) in Verbindung mit der Stau- und Verweilzone (9) wird die Strohformteildichte auf ca. 0,8 g/cm3 eingestellt. In der nachfolgenden Stau- und Verweilzone (9) mit einer Länge von 3 m erfolgt eine Temperaturabsenkung auf 120°C. Eine Schneideinrichtung kürzt die Strohformteile auf eine Länge von 1 bis 2 Windungen der zylindrischen Schnecke (14).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Verfahrensteil, zylindrisch
- 3
- Einzugszone
- 4
- Auflockerungseinrichtung
- 5
- Zylindrische Kompressionszone
- 6
- Konische Kompressionszone
- 7
- Zylindrischen Austragsschnecke
- 8
- Drossel
- 9
- Stau- und Verweilzone
- 10
- Kompressionsschnecke
- 11
- Konisches Verfahrensteil
- 12
- Konische Schnecke
- 13
- Zylindrisches Verfahrensteil
- 14
- Zylindrische Schnecke
- 15
- Beschickungsöffnung
- 16
- Zylinder
- 17
- Nut/Stege
- 18
- Konischer Zylinder
- 19
- Stege
- 20
- Ringspalt
- 21
- Heizung
- 22
- Kühlung
- 23
- Auflockerungseinrichtung
- 24
- Schnecke
- 25
- Schneckenelemente
- 26
- Beschickungseinrichtung
- Bezeichnung D:
- Schneckenaussendurchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4824352 [0004]
- WO 93/22132 [0004]
- EP 0710175 [0004]
- DE 3637769 A1 [0004]
- DE 3926866 A1 [0004]
- DE 202006008528 U1 [0004]
- DE 102008007818 A1 [0004]
- EP 1113920 [0005]
- WO 2010147493 [0005]
- DE 102006009442 A1 [0005, 0005]
- AU 1993048280 [0005]
- AU 1997036779 [0005]
- AU 1997041268 [0005]
