DE102014003806A1 - Anlage und Verfahren zur Direktpyrolyse von Biomasse - Google Patents
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Abstract
Anlage und Verfahren zur Pyrolyse von Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse zur Herstellung von Pflanzenkohle durch • eine von der Steigung stetig einstellbaren Förder- oder Mischschnecken-Anlage • mit einer über die Förderlänge und in das Schneckenrohr oder den Mischschneckentrog integrierten und angeordneten, von Fördergut freien Pyrolysekammer, • mit einer im Austragsbereich der Förder- oder Mischschnecke angeordneten Brennkammer • mit im oder am Austragsbereich der Förder- oder Mischschnecke angeordneten Zuführeinrichtungen für sauerstoffhaltige Gase und/oder Dämpfe und/oder Inertgase und/oder reduzierend wirkender Gase, Flüssigkeiten und/oder Brennstoffe • mit direkter Ansaugung des Pyrolysegases in der von Fördergut freien Pyrolysekammer an frei wählbarer Ansaugstelle über die Förderlänge, • mit über die Gesamtlänge der Förder- oder Mischschnecken in regelmäßigen Abständen angeordneten Stutzen für das Absaugen von Gasen oder Zuführen von Gasen und Hilfsstoffen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Pyrolyse von Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse in einer Förder- oder Mischschnecken-Anlage.
- Die positive Wirkung von pyrogener Pflanzenkohle, auch als Biochar bezeichnet, ergibt sich u. a. aus der Erhöhung des Wasserhaltevermögens, aus der Steigerung der Stickstoffmineralisation in versauerten Böden oder aus ihrer Wirkung zum Bodenkohlenstoffaufbau. Für eine effizientere Reststoffnutzung ist Pflanzenkohle im Stoffkreislauf ein Regulativ, leistet einen Beitrag zum CO2-Entzug aus der Atmosphäre und ermöglicht eine Speicherung von Pflanzennährstoffen [C. Kammann; „Chancen und Risiken des Einsatzes von Pflanzenkohle"; Müll und Abfall 5·12; S. 256–262].
- Um Pflanzenkohle herzustellen, muss eine Carbonisierung von organischem Material durch direkte oder indirekte Pyrolyse oder durch Kopplung beider Verfahren erfolgen.
- Die Direktpyrolyse erfolgt nach dem Stand der Technik unter inerter oder unter nur leicht oxidierender Atmosphäre, indem speziell bei höheren Temperaturen zwischen 500°C und 650°C eine kleine Menge Sauerstoff, insbesondere als Luftanteil in Höhe von etwa 1% bis 5% des Inertgases zugeführt wird. Bei Herstellung von Aktivkohle schließt sich dann ein gezielter Abbrand von Kohlenstoff durch selektive Oxidation bei etwa 700°C bis 1200°C an. Die weitere Zuführung sauerstoffhaltiger Gase wie Luft und/oder Wasserdampf und/oder Kohlendioxid führt dabei zu einer Erhöhung des Anteils der offenen Porosität der Kohle, die damit aktiviert wird. Für qualitativ hochwertige Kohlen ist eine möglichst vollständige Carbonisierung notwendig, die durch gute, auch axiale Durchmischung des Einsatzmaterials über die Zeit bzw. den Carbonisierungsweg unterstützt wird. Nachteilig ist, dass dies nur mit konstruktiv aufwendigen und speziell ausgeführten Drehrohren garantiert werden kann [
DE 20 2006 017 001 U1 ;DE 10 2008 012 018 B4 ]. - Zur Herstellung von Pflanzenkohle werden auch Schachtvergaser ähnelnden Meiler genutzt [
DD 238 162 A1 - Nach dem Stand der Technik ist ebenfalls bekannt, für Pyrolyseprozesse indirekt beheizte Pyrolyserohre oder Drehrohrreaktoren mit innenliegender Schnecke zu nutzen [
DE 30 18 572 C2 ;DE 33 20 767 A1 ;DE 32 05 366 C2 ;DE 196 06 575 C2 ;DE 88 13 302 U1 ;DE 80 032 68 U1 ;DE 10 2009 049 767 A1 ;DE 10 2008 029 109 B4 ;DE 41 37 161 C2 ;DE 42 37 161 C2 ]. Nachteilig sind bei allen Lösungsvorschlägen die indirekte Beheizung der Pyrolyseeinheit mit vgl. niedrigeren Wärmeübertragungswirkungsgrad gegenüber einer Direktpyrolyse und die erheblichen anlagentechnischen Aufwendungen zur Abdichtung von drehenden Pyrolysesegmenten gegenüber der Umgebungsluft zur Vermeidung der Zündung der erzeugten Pyrolysegase. -
DE 10 2008 038 570 B4 beansprucht einen Reaktor mit archimedischen Schraubenförderer, der eine spiralförmigen Förderschnecke, ein radial außenliegend fest mit der Förderschnecke verbundenes und mit der Förderschnecke verdrehtes Gehäuse sowie eine radial innenliegend von der Förderschnecke angeordnete Seele aufweist, wobei zwischen Förderschnecke, Gehäuse und Seele ein spiralförmiger gasdichter Kanal gebildet ist, in dem ein extern bereitgestelltes oder durch Reaktionen im Reaktor gebildetes Gas insbesondere im Gleichstrom aber auch im Gegenstrom zur Förderrichtung des Schüttgutes strömt und mit diesem reagiert. Am Austrittsbereich ist ein Stauelement zur Bildung eines Rückstaus des Schüttgutes integriert. Beansprucht wird auch die Ausführung des Stauelementes, die Ausführung der Seele als Hohlkörper und die unterschiedliche koaxiale Verschachtelung des archimedischen Schraubenförderers mit einem Drehrohrofen. Nachteilig ist der komplizierte Aufbau, die offenbarte erforderliche Kopplung mit einem Drehrohrofen und, dass ein intensiver Kontakt zwischen Gas und Schüttung nur durch zusätzliche konstruktive Aufwendungen und Anpassungen ermöglicht wird. - Nach
DE 10 2007 027 038 B4 ist ein Verfahren für das einfache oder mehrfach gestaffelte Zuführen von Gasen, Dämpfen, Stäuben, vernebelten Flüssigkeiten oder beliebigen Kombinationen dieser Materialien über extern am Düsenstock zur Verbrennungswindversorgung über die Winddüsen eines Schacht-Schmelz-Ofens zum Schmelzen von metallischen und/oder mineralischen Einsatzstoffen mit anorganischen und/oder organischen Begleitmaterialien angebrachten Treibdüsensystemen bekannt, bei dem das Treibdüsensystem ohne Ausströmrohr in die Winddüse des Schacht-Schmelz-Ofens eingeschoben ist, zwischen der Austrittsöffnung der Winddüse im Ofenschacht und dem Gasaustritt aus der konischen Mischdüse des Treibdüsensystems ein Düsenüberstand realisiert ist, der Einlaufdurchmesser der konischen Mischdüse gleich oder 1 mm kleiner der lichten Weite der Winddüse ist und der Gesamtstrom oder nahezu 100% des Gesamtstromes des Verbrennungswindes mit technischem Sauerstoff zu einem Verbrennungsmittelgemischstrahl vermischt ist, der Einlaufdurchmesser der konischen Mischdüse kleiner 1 mm kleiner der lichten Weite der Winddüse ist und ein Teilstrom des Verbrennungswindes mit technischem Sauerstoff zu einem Verbrennungsmittelgemischstrahl vermischt ist, vom Rand zum Kern des Verbrennungsmittelgemischstrahles zunehmende Sauerstoffgehalte eingestellt sind, ein geringerer strömungstechnischer Druckverlust realisiert ist und höhere Eintrittsgeschwindigkeiten des Verbrennungsmittelstrahlgemisches in die Schüttung realisiert sind. Nachteilig ist der ausschließlich für den Einsatz im Schacht-Schmelz-Ofens zum Schmelzen von metallischen und/oder mineralischen Einsatzstoffen mit anorganischen und/oder organischen Begleitmaterialien angebrachten Treibdüsensystemen konzipierte Aufbau, der in Kombination mit einer Winddüse des Schacht-Schmelz-Ofens realisiert wird. - Aufgabe der Erfindung ist es, eine technisch einfache Anlage und ein Verfahren für eine sichere Pyrolyse zur Herstellung von Pflanzenkohle aus Biomasse und Biomassereststoffen schaffen.
- Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß durch eine von der Steigung stetig einstellbaren Förder- oder Mischschnecken-Anlage mit einer über die Förderlänge und in das Schneckenrohr oder den Mischschneckentrog integrierten und angeordneten, von Fördergut freien Pyrolysekammer, einer im Austragsbereich der Förder- oder Mischschnecke angeordneten Brennkammer mit im oder am Austragsbereich der Förder- oder Mischschnecke angeordneten Zuführeinrichtungen für sauerstoffhaltige Gase und/oder Dämpfe und/oder Inertgase und/oder reduzierend wirkender Gase, Flüssigkeiten und/oder Brennstoffe mit direkter Ansaugung des Pyrolysegases in der von Fördergut freien Pyrolysekammer an frei wählbarer Ansaugstelle über die Förderlänge, mit über die Gesamtlänge der Förder- oder Mischschnecken in regelmäßigen Abständen angeordneten Stutzen für das Absaugen von Gasen oder Zuführen von Gasen und Hilfsstoffen, und einem Verfahren zum Betreiben dieser Förder- oder Mischschnecken-Anlage entsprechend den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 12.
- Die erfindungsgemäße Anlage und das zugehörige Verfahren zur Pyrolyse von Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse in einer Förder- oder Mischschnecken-Anlage werden mit Bezug auf die
1 bis4 am nachfolgenden Beispiel näher beschrieben. -
1 stellt die Gesamtanlage zur Pyrolyse von Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse in einer Förder- oder Mischschnecken-Anlage mit gekühlter Austragsschnecke dar. -
2 stellt die Gesamtanlage zur Pyrolyse von Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse in einer Förder- oder Mischschnecken-Anlage mit gegenüber der Umgebungslauft abgeschlossene Materialsammeleinrichtung dar. -
3 stellt die Gesamtanlage zur Pyrolyse von Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse in einer Förder- oder Mischschnecken-Anlage mit nachfolgend angeordneter Gasnachverbrennung und dieser nachgeschalteten Gasreinigung nach Stand der Technik dar. -
4 stellt die Gesamtanlage zur Pyrolyse von Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse in einer Förder- oder Mischschnecken-Anlage mit nachfolgend angeordneter Anlage zur Energieerzeugung aus Brennstoffen dar. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Förderlänge
- 2
- Schneckenrohr
- 3
- Mischschneckentrog
- 4
- Pyrolysekammer
- 5
- Eintragbereich
- 6
- Austragbereich
- 7
- Brennkammer
- 8
- Zuführeinrichtungen
- 9
- Gesamtlänge
- 10
- Stutzen
- 11
- Verschluss
- 12
- Schneckenwelle
- 13
- Schneckenwellen
- 14
- Materialeintragstutzen
- 15
- Materialaustragstutzen
- 16
- Materialsammeleinrichtung
- 17
- Materialaustrageinrichtung
- 18
- Förder- oder Mischschnecken
- 19
- Troglager
- 20
- Stutzen
- 21
- Gasnachverbrennung
- 22
- Gasreinigung
- 23
- Anlage zur Energieerzeugung
- 24
- Schnecke
- 25
- Schnecken
- 26
- Reaktionsmedien
- 27
- Lavaldüse
- 28
- Mischdüse
- 29
- Treibdüseneinrichtung
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- 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.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 202006017001 U1 [0004]
- DE 102008012018 B4 [0004]
- DD 238162 A1 [0005]
- DE 3018572 C2 [0006]
- DE 3320767 A1 [0006]
- DE 3205366 C2 [0006]
- DE 19606575 C2 [0006]
- DE 8813302 U1 [0006]
- DE 8003268 U1 [0006]
- DE 102009049767 A1 [0006]
- DE 102008029109 B4 [0006]
- DE 4137161 C2 [0006]
- DE 4237161 C2 [0006]
- DE 102008038570 B4 [0007]
- DE 102007027038 B4 [0008]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- C. Kammann; „Chancen und Risiken des Einsatzes von Pflanzenkohle”; Müll und Abfall 5·12; S. 256–262 [0002]
- http://www.carbon-terra.eu/de/schottdorf-meiler/ [0005]
Claims (12)
- Anlage zur Pyrolyse von Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse in einer Förder- oder Mischschnecken-Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass • über die Förderlänge
1 eine in das Schneckenrohr2 oder den Mischschneckentrog3 integrierte, von Fördergut freie Pyrolysekammer4 angeordnet ist, • im Austragbereich6 eine Brennkammer7 integriert oder diese am Austragbereich6 angeordnet ist, • im Austragbereich6 und/oder in der Brennkammer7 Zuführeinrichtungen8 Reaktionsmedien, insbesondere für sauerstoffhaltige Gase und/oder Dämpfe und/oder Inertgase und/oder reduzierend wirkender Gase, Flüssigkeiten und/oder Brennstoffe integriert oder diese am Austragbereich6 angeordnet sind, • über die Gesamtlänge9 in regelmäßigen Abständen Stutzen10 für das Absaugen von Gasen oder für das Zuführen von Gasen und/oder Hilfsstoffen angeordnet sind, • neben dem Eintrag- und Austragbereich5 ,6 stirnseitig am Schneckenrohr2 oder den Mischschneckentrog3 ein gasdichter Verschluss11 mit ebenfalls gasdichter Wellendichtung für die Schneckenwelle12 oder die Schneckenwellen13 integriert ist, • der Materialeintragstutzen14 über Passstücke und/oder Kompensationselemente mit einer Zuführeinrichtung1 für Biomasse und/oder Biomassereststoffe verbunden ist, • der Materialaustragstutzen15 über Passstücke und/oder Kompensationselemente mit einer Materialsammeleinrichtung16 oder einer Materialaustrageinrichtung17 für carbonisierte Biomasse und/oder Biomassereststoffe verbunden ist und • die Förder- oder Mischschnecken18 mit einem fixierten Steigungswinkel oder auf zwei höhenverstellbaren Troglagern19 angeordnet sind. - Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtungen
8 als in der Eindringtiefe in die von Fördergut freie Pyrolysekammer4 frei verschiebbare, aus Lavaldüse27 und Mischdüse28 bestehende Treibdüseneinrichtung29 nach dem Injektorprinzip besteht oder als einfache, mit oder ohne Lavaldüse ausgeführte Zuführeinrichtungen8 aufgebaut ist. - Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckenrohr
2 oder der Mischschneckentrog3 über die Gesamtlänge9 aus einem Bauteil oder aus geflanschten Bauteilsegmenten besteht, • horizontal geteilt und geflanscht oder ungeteilt ist, • einwandig oder doppelwandig ist und • bei doppelwandiger Ausführung Zuführ-, Weiterleitungs- und Abführstutzen20 für Heiz- und/oder Kühlmedien angeordnet sind. - Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass • die Schnecke
3 aus einem Bauteil oder aus gesteckten Bauteilsegmenten besteht, • die Schnecke3 eine Paddel-, Wendel- oder Bandschnecke mit einer Welle aus Vollmaterial oder Hohlmaterial ist oder • die Schnecke3 wellenlos ist. - Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hohlschneckenwelle Stutzen
20 für die Zuführung von Heiz- oder Kühlmedien angeordnet sind. - Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Paddel verdrehbar sind.
- Anlage nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasabsaugstutzen
10 mit Rohrleitungen und Kompensationselementen mit einer nachfolgend angeordneten Gasnachverbrennung21 und dieser nachgeschalteten Gasreinigung22 mit Saugzug nach Stand der Technik oder das die Gasabsaugstutzen10 mit Rohrleitungen und Kompensationselementen mit der Brennkammer einer Anlage zur Energieerzeugung23 aus Brennstoffen und Saugzug verbunden ist. - Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den von den Gasabsaugstutzen
10 abgehenden Verbindungsrohrleitungen eine Wärmeisolierung und/oder eine Rohrbegleitheizung integriert ist. - Verfahren zur Herstellung von Pflanzenkohle aus Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse in einer Förder- oder Mischschnecken-Anlage, gekennzeichnet dadurch, dass • das aus Biomasse und/oder Biomassereststoffen zusammengesetzte Einsatzmaterial aufgewärmt oder nicht aufgewärmt aus der beheizt oder nicht beheizt ausgeführten Zuführeinrichtung
1 durch die Passstücke und/oder Kompensationselemente in den Materialeintragstutzen14 der Förder- oder Mischschnecken-Anlage gefördert wird, • das Einsatzmaterial mittels der Schnecke24 der Förderschnecke5 im Schneckenrohr2 oder den Schnecken25 in der Mischschnecke6 im Mischschneckentrog3 zum Materialaustragstutzen10 transportiert wird, • in die durch Passstücke und/oder Kompensationselemente direkt angekoppelte Materialsammeleinrichtung16 fällt, gesammelt und gekühlt oder in eine mit einer Materialkühlung komplettierten Materialaustrageinrichtung17 für carbonisierte Biomasse und/oder Biomassereststoffe fällt oder aktiv abgezogen wird, • über die im Austragbereich6 angeordnete Brennkammer7 ein in einer an der Brennkammer7 angeordneten Brennereinrichtung ein bis 850°C heißes Reaktionsmedium26 in die von Fördergut freie Pyrolysekammer4 eingeblasen wird und/oder • über die in der Brennkammer7 direkt integrierte oder separat im Bereich der Brennkammer7 angeordneten Zuführeinrichtungen8 für Reaktionsmedien26 durch Zuführung von gasförmigen, flüssigen und/oder festen Materialien auf 850°C gekühlt und/oder eine kleine Menge Sauerstoff in Höhe von etwa 1% bis 5% der Abgasmenge und/oder ein bis 850°C heißes Inertgas und/oder reduzierend wirkendes Gas direkt zugeführt wird, • mittels der Zuführeinrichtungen8 als in der Eindringtiefe in die von Fördergut freie Pyrolysekammer4 frei verschiebbare, aus Lavaldüse27 und Mischdüse28 bestehende Treibdüseneinrichtung29 nach dem Injektorprinzip an über die die Förderlänge1 frei wählbaren Stellen direkt aus und in der Pyrolysekammer4 ein Teilvolumen des gebildeten Pyrolysegases von der Treibdüseneinrichtung29 angesaugt und mit dem Treibgas, insbesondere mit den dazu verwendeten sauerstoffhaltigen Gasen und/oder Dämpfen und/oder Inertgasen und/oder reduzierend wirkenden Gasen vermischt wird und reagiert, • dadurch die Pyrolysegasabzugstemperaturen einstellbar sind, vorzugsweise zwischen 200°C bis 400°C eingestellt werden, • über die über die Gesamtlänge9 in regelmäßigen Abständen angeordneten Stutzen10 für das Absaugen von Gasen durch die Reaktionen mit dem Schüttgut gebildetes Pyrolysegas abgezogen oder weitere Gase und/oder Hilfsstoffe in die Pyrolysekammer4 zugeführt werden, • das Einsatzmaterial aus dem Bereich des Materialeintragstutzen14 mit einer durch die Neigung der Förder- oder Mischschnecken-Anlage und/oder bei der Ausführung der Schnecke24 oder der Schnecken25 als Paddelschnecke(n) durch Verdrehung der Paddel und/oder durch die Drehzahl der Schnecke(n)24 ,25 einstellbaren Fördergeschwindigkeit zum Materialaustragstutzen10 transportiert wird, • die Reaktionsmedien26 im Gegenstrom zur Transportrichtung des Einsatzmaterials strömen, dieses pyrolysiert und carbonisiert, • das pyrolysierte und carbonisierte Einsatzmaterial bei doppelwandiger und segmentierter Ausführung des Schneckenrohres2 oder des Mischschneckentroges3 und/oder der Ausführung der Schneckenwelle12 oder der Schneckenwellen13 durch Zuführung eines gasförmigen oder flüssigen Heizmediums in den sich zwischen Innen- und Außenkörper des Schneckenrohres2 oder des Mischschneckentroges3 ausbildenden Temperspalt segmentweise indirekt erwärmt oder durch Zuführung eines gasförmigen oder flüssigen Kühlmediums segmentweise indirekt gekühlt wird und eine differenzierte Temperaturführung über die Förderlänge1 der Förder- oder Mischschnecken-Anlage erfolgt, • das aus der Förder- oder Mischschnecken-Anlage abgezogene Pyrolysegas durch isolierte und/oder erwärmte Rohrleitungen transportiert wird und keine Kondensation von Pyrolyseölen und anderen Kondensaten erfolgt und • das Pyrolysegas direkt in eine der Förder- oder Mischschnecken-Anlage nachfolgend angeordneten Gasnachverbrennung21 und dieser nachgeschalteten Gasreinigung22 nach Stand der Technik oder zur energetischen Verwertung in eine der Förder- oder Mischschnecken-Anlage nachfolgend angeordneten Anlage zur Energieerzeugung23 aus Brennstoffen strömt. - Verfahren zur Herstellung von Pflanzenkohle aus Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse in einer Förder- oder Mischschnecken-Anlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Reaktionsmedien
26 ausgebranntes Abgas und/oder sauerstoffhaltige Gase und/oder Dämpfe und/oder Inertgase und/oder reduzierend wirkender Gase, Flüssigkeiten und/oder Brennstoffe und/oder das in der Brennereinrichtung erzeugte heiße, ausgebrannte Abgas sind. - Verfahren zur Herstellung von Pflanzenkohle aus Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse in einer Förder- oder Mischschnecken-Anlage nach Anspruch 9 und 10, gekennzeichnet dadurch, dass kein Eindringen von Umgebungsluft in die Förder- oder Mischschnecken-Anlage durch die Ausbildung von einen hohen Strömungswiderstand bewirkenden Schüttungshöhen am der Zuführeinrichtung
1 für Biomasse und/oder Biomassereststoffe zugeordnetem Materialeintrag und/oder gegenüber der Umgebungsluft abgeschlossenen Materialschleusen und durch die Ausbildung von einen hohen Strömungswiderstand bewirkenden, aus pyrolysiertem und carbonisierten Materialen bestehenden Rohrpfropfen Materialaustrageinrichtung17 , der gegenüber der Umgebungslauft abgeschlossenen Materialsammeleinrichtung16 und/oder gegenüber der Umgebungsluft abgeschlossenen Materialschleusen möglich ist. - Verfahren zur Herstellung von Pflanzenkohle aus Biomasse und Biomassereststoffen mittels Direktpyrolyse in einer Förder- oder Mischschnecken-Anlage nach Anspruch 8 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass der Restsauerstoffgehalt und die Temperatur des Pyrolysegases gemessen und die Menge der zugeführten Reaktionsmedien
26 danach geregelt wird.
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