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Die vorliegende Erfindung betrifft Pellets für Heizzwecke aus einer gepressten Biomasse auf Basis von Lignozellulose gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Holz wird immer mehr ein Konkurrent fossiler Brennstoffe, welche aufgrund ihrer negativen CO2-Bilanz seit Langem in der Kritik stehen.
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Holzpellets wie beispielsweise die unter der Handelsbezeichnung FireStixx (eingetragene Marke der FireStixx Holz-Energie GmbH) vertriebenen Holzpellets, welche als sogenannte FireStixx Premium-Pellets nach DINplus und ENplus A1 zertifiziert sind, übertreffen bereits bei vielen Messparametern, z. B. der Menge der anfallenden Verbrennungsasche und in Bezug auf die Staubbildung, diejenigen Werte, die die Norm vorgibt.
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Die Qualität von Holzpellets ist unter anderem abhängig von folgenden Parametern:
- – Ein kleiner Abriebswert, welcher eine höhere Festigkeit und Widerstandsfähigkeit der Pellets bedeutet. So entstehen weniger Staub und Feinanteile im Brennstofflager, wodurch sich Fließfähigkeit und Luftführung im Brenner verbessern. Die Vorteile liegen in einem besseren Wirkungsgrad und in sauberen Rauchgasen.
- – Ein niedriger Feuchtigkeitsgehalt erhöht den Heizwert und senkt damit die Heizkosten.
- – Ein geringerer Aschegehalt sorgt für eine saubere Verbrennung und somit für weniger Wartungsaufwand.
- – Eine höhere Rohdichte schafft die Voraussetzung für ein höheres Volumengewicht und damit eine höhere Energiedichte. Premium-Qualitätspellets von FireStixx weisen eine exakt definierte Längenverteilung, beispielsweise zwischen 3 und 40 mm, auf und haben einen Heizwert von ca. 5,1 bis 5,3 kWh/kg. Der Feuchtigkeitswert beträgt ca. 5 bis 8 Masse-%.
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Die mechanische Festigkeit der Pellets liegt typischerweise bei oberhalb von 98,5% und der Aschegehalt liegt unterhalb von 0,25 Masse-%.
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Die Herstellung derartiger Pellets erfolgt typischerweise aus Abfällen in Form von Säge- bzw. Hobelspänen und Sägemehl im Wesentlichen aus Fichtenholz ist im Stand der Technik wohlbekannt.
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So beschreibt beispielsweise das deutsche Gebrauchsmuster der Rechtsvorgängerin der vorliegenden Anmelderin in
DE 20 2006 008 516 U1 derartige Holzpellets für Heizzwecke, bei denen ein bestimmter pH im neutralen oder alkalischen Bereich eingestellt wird.
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Ein Verfahren zum Herstellen von Holzpellets wird ebenfalls in der
WO 02/50220 A1 beschrieben und ein Verfahren zum Herstellen von Biopellets aus einem biologischen Ausgangsstoff, wie zum Beispiel Holz, der eine Bindemittelkomponente und/oder eine Rohstoffkomponente umfasst, wird in
DE 10 2007 044 584 A1 beschrieben. Die
DE 10 2007 044 584 A1 beschreibt ferner Pellets, die geringere Emissionswerte aufweisen, insbesondere im Hinblick auf Staub und Stickstoffoxyde. Zusätzlich ist auch eine Einarbeitung von Additiven wie z. B. Geruchsaromen oder Talkum, Kalk, CaO, MgO u. ä. zur Erhöhung der Ascheerweichungstemperatur vorteilhaft.
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Schlussendlich beschreibt die
EP 2 325 289 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Holzpellets mit Hilfe eines schmierenden und staubbindenden Additivs. Dieses Verfahren ist unter der markengeschützen Bezeichnung der vorliegenden Anmelderin als pelprotec
® bekannt. Dabei handelt es sich um ein innovatives Veredelungsverfahren, das Pellets noch hochwertiger macht.
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Insbesondere werden die Pellets beim Befüllen des Vorratslagers, noch im Tankfahrzeug, veredelt. Dies geschieht unmittelbar vor der stärksten mechanischen Belastung der Pellets. Die Pellets werden mit einem dünnen Schutzfilm aus Pflanzenöl überzogen. Hierdurch ist es möglich, die Staubbildung drastisch zu verringern und dem Brenner Holzpellets in ausgezeichneter Qualität in Bezug auf Staubarmut, Abrieb und Schonung für die mechanischen Teile wie Fördersystem und Luftzufuhrsysteme zuzuführen.
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Bislang wurde als Ausgangsmaterial für die Biomasse zur Herstellung der Holzpellets im Wesentlichen auf Nutzhölzer wie insbesondere Industrie- und Bauhhölzer, beispielsweise Fichte und Tanne, zurückgegriffen, wobei insbesondere Reststoffe aus der holzverarbeitenden Industrie wie Sägemehl, Spanholz und insbesondere Hobelspäne und andere Holzreste zum Einsatz kamen.
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Aufgrund steigender Nutzung holzartiger Biomasse und steigender Nachfrage in Privathaushalten für Kleinfeuerungsanlagen ist es jedoch in einer Langzeitperspektive wünschenswert, auf alternative Rohstoffe zum Beispiel aus Kurzumtriebsplantagen (KUP), Stroh, Getreide und dergleichen für die Herstellung von Pellets für Heizzwecke zurückzugreifen, da auf lange Sicht die bislang eingesetzten Ressourcen knapper werden.
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Zusätzlich ist zu erwarten, dass sich künftig aufgrund der europäischen Gesetzgebung verschärftere Grenzwerte für den Emissionsausstoß aus Kleinfeuerungsanlagen ergeben werden.
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Allerdings stellt sich das Problem, dass KUP-Biomasse eine deutlich unterschiedliche chemische Zusammensetzung wie die bisher für die Holzpelletierung verwendete Industrie- bzw. Bauhholz-Biomasse aufweist.
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Diese unterschiedliche chemische Zusammensetzung führt zu unterschiedlichen und zum Teil unerwünschten verbrennungstechnischen Eigenschaften, wodurch sich die Abgaszusammensetzung und die Aerosolbildung deutlich zum Nachteil einer zu Pellets verpressten KUP-Biomasse verändern.
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Insbesondere besteht eine Korrelation zwischen dem Gehalt an Stickstoff, Schwefel und Chlor in der eingesetzten Brennstoffbiomasse und NOx, SOx und HCl im Abgas sowie der Aerosolbildung aus semi- und leichtflüchtigen Bestandteilen der aschebildenden Elemente K, Na, Pb, Si usw.
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Hierbei wurde festgestellt, dass beispielsweise Kalium die Bildung von Aerosolen und damit die Korrosion an Wärmetauscher und anderen Teilen des Heizungssystems begünstigt und sich die Ascheerweichungstemperatur verringert.
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Die Ascheerweichungstemperatur beziffert die Temperatur, bei der die Asche der in der Heizanlage verbrannten Pellets vom festen in den (eher) flüssigen Aggregatzustand wechselt. Das Problem flüssiger Asche entsteht beim Abkühlen der Asche. Sie ändert ihren Aggregatzustand dann naturgemäß von flüssig nach fest. Das geschieht in der Regel dann in Form einer zusammenhängenden Masse. Diese Masse kann sich im Innern des Kessels sammeln und kann dann zu Störungen der Heizungsanlage führen. Die Ascheerweichungstemperatur nach ENplus A1 liegt derzeit bei 1200°C.
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Die in Stickstoff bedingten NOx- bzw. N2O-Emissionen sowie die SOx-Emissionen aufgrund des Schwefelgehalts der Brennstoffe führen zur Korrosion an Metallbauteilen der Feuerungsanlage.
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Dasselbe gilt für Chlor, wodurch überwiegend HCl entsteht, jedoch können zusätzlich zu einem geringen Anteil auch polychlorierte Dibenzo-p-dioxine und Dibenzofurane (PCDD/PCDF) gebildet werden, die mit den Abgasen in die Umwelt entweichen können. Derartige anoganische und organische Halogenverbindungen können – neben ihrer unerwünschten Toxizität – ebenfalls Korrosion an Metallbauteilen hervorrufen.
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Der Gehalt an dem Alkalimetall Natrium führt bekanntlich zu Kesselkorrosion und ebenfalls zur Bildung von Aerosolen.
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Magnesium erhöht die Ascheerweichungstemperatur und begünstigt eine Aschenutzung, zum Beispiel als Dünger, während der Phosphorgehalt des Brennstoffs die Aerosolbildung begünstigt, zu einer Ascheerweichung führt und damit Nützlichkeit der Asche beispielsweise als Dünger herabsetzt.
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Im Brennstoff enthaltene Schwermetalle, insbesondere Blei, Mangan, Kupfer, Cadmium und dergleichen, führen ebenfalls zu gas- und staubförmigen Emissionen und schränken die Aschenutzung als Düngemittel drastisch ein, sofern ihr Gehalt einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
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Bei Untersuchungen wurde ferner festgestellt, dass die Bildung von Feinstaub in automatischen Feuerungsanlagen hauptsächlich durch Freisetzung anorganischer Elemente aus dem Glutbett in temperatur- und brennstoffabhängiger Art und Weise erfolgt.
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Nach alledem sind KUP-Hölzer, insbesondere in pelletierter Form, im Stand der Technik praktisch nicht dauerhaft in Heizanlagen als Brennstoff einzusetzen, da ihr Gehalt an der Summe der Elemente K, S, Cl, Cd, Zn, Pb, gemessen am Beispiel der Kurzumtriebsplantagenhölzer Pappeln und Weiden, im Vergleich zu Fichten- und Buchenbiomasse mit etwa 3000 bis 4000 mg/kg (db) etwa doppelt so hoch ist und zu den oben genannten Nachteilen führt.
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Hier setzt die vorliegende Erfindung ein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, neben den immer knapper werdenden Industrie- und Bauhölzernhölzern, insbesondere Fichte und Tanne, auch Hölzer aus Kurzumtriebsplantagen als Pellets für Heizzwecke einsetzen zu können und dennoch die Grenzwerte für Feinstaub und Abgase einhalten zu können.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Pellets für Heizzwecke aus einer gepressten Biomasse auf Basis von Lignozellulose, wobei die Pellets wenigstens ein asche- und/oder feinstaubverminderndes Additiv sowie einen Binder auf Polysaccharidbasis enthalten, wobei das Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: aluminiumhaltigen anorganischen Verbindungen, Tonen und Tonmineralen.
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Durch den Einsatz wenigstens eines asche- oder feinstaubvermindernden Additivs sowie eines Binders auf Polysaccharidbasis, wobei das Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus aluminiumhaltigen anorganischen Verbindungen, Tonen und Tonmineralen, hat sich überraschend herausgestellt, dass durch den Einsatz derartiger Additive gezielt die Freisetzung von anorganischen aerosolbildenden Elementen, insbesondere K, S, Cl, Cd, Zn und Pb vermindert werden kann.
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Bei den chemischen Reaktionen der Brennstoffinhaltsstoffe im Rahmen der Pyrolyse- und Vergasungsprozesse reagieren die leichtflüchtigen zu schwerflüchtigen Komponenten und somit verbleiben die anorganischen aerosolbildenden Elemente im Glutbett der Feuerungsanlage.
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Auch wird die Freisetzung organischer Aerosole herabgesetzt, was – ohne hieran gebunden zu sein – offensichtlich mit der Oberflächenaktivität der eingesetzten Additive zusammenhängt.
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Insbesondere wird erfindungsgemäß davon ausgegangen, dass die Beeinflussung der erfindungsgemäßen Additive durch folgende Prozesse wirksam ist:
Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Additive erhöht sich in Bezug auf Kalzium die Ascheerweichungstemperatur und es findet eine Verbindung des Kalziums mit Silizium und nicht mit Kalium statt, so dass eine Aerosolbildung unterdrückt wird.
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In Bezug auf Phosphor senkt das erfindungsgemäße Additiv die Partikel-Massekonzentration des Phosphors, wodurch weniger Partikel als Aerosol zur Verfügung stehen können.
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Obwohl beispielsweise die Kurzumtriebshölzer Pappel und Weide mehr als doppelt so viele Aerosolbildner in ihrer Ausgangssubstanz enthalten im Vergleich zu Fichte und Buche, gelingt es, mittels der erfindungsgemäßen Additive die Aerosolbildung im Abgas und die NOx- und SOx-Abgaswerte praktisch auf den Wert von reinem Fichten- oder Buchenholz zu bringen.
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Mit den erfindungsgemäßen Pellets ist es somit möglich, alternative KUP-Pellets anstatt der bisherigen reinen Sägewerksrestholzpellets einzusetzen.
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Somit stehen mit den erfindungsgemäßen Pellets erstmals feinstaub- und emissionsarme Pellets aus KUP-Hölzern, insbesondere Pappel und Weide, für Heizzwecke zur Verfügung und das Rohstoffsortiment für die Pelletherstellung wird signifikant um schnell nachwachsende Biomasse aus Kurzumtriebsplantagen erweitert.
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In der Praxis hat sich herausgestellt, dass ein Bindemittel auf Polysaccharidbasis, insbesondere Stärkebasis, sowie ein Additiv aus aluminiumhaltigen anorganischen Verbindungen, Tonen und Tonmineralen diese Eigenschaften erfüllt, ohne dass der zugrundeliegende physikalische chemische Mechanismus vollständig verstanden ist.
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Ganz besonders hat sich Kaolin als Tonmineral bei ersten Versuchen bewährt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Pellets für Heizzwecke aus einer gepressten Biomasse auf Basis von Lignozellulose aus Pappel- und/oder Weidenhölzern, wobei die Pellets wenigstens ein asche- und/oder feinstaubverminderndes Additiv auf Basis von Alumosilikaten, insbesondere Kaolin, sowie einen Binder auf Stärkebasis, beispielsweise Weizenstärke, enthalten.
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Selbstverständlich ist auch möglich, Mischhölzer etwa aus Fichte, Buche, Pappel und/oder Weide für die Pelletherstellung einzusetzen.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen Pellets erfolgt nach dem Fachmann wohlbekannten Pelletierungsverfahren, welche in der Beschreibungseinleitung erwähnt wurden.
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Die Unteransprüche stellen weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Für eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pellets wird die Lignozellulose-Biomasse ausgewählt aus: Industrie- und Bauhölzern, insbesondere Fichte, Kiefer, Tanne, Douglasie, Eiche, Lärche, Kastanie, Buche, Erle, Birke; Kurzumtriebshölzern, insbesondere Pappel und Weide; Agrarreststoffen; sowie Mischungen davon.
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Die Lignozellulose-Biomasse kann aus Vollbäumen und/oder Hackschnitzel und/oder Hobelspänen und/oder Sägespänen und/oder Sägemehl der Industrie- und Bauhölzer und/oder der Kurzumtriebshölzer stammen, so dass auch vorteilhaft weiterhin die Nutzung von ohnehin anfallenden Holzabfällen und Holzresten verwendet werden können und eine etwas aufwendigere Verwendung von Vollbäumen nur zum Teil erforderlich ist.
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Die aluminiumhaltigen anorganischen Verbindungen sind vorzugsweise Aluminiumoxide, insbesondere Al2O3, und/oder Aluminiumhydroxide und/oder Aluminiumoxidhydroxide und/oder Bauxit, da diese nicht toxisch und leicht und billig verfügbar sind.
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In der Praxis hat sich herausgestellt, dass Tone und Tonminerale, Alumosilikate, insbesondere Kaolin, Kaolinit, Illicit, Sericit und Montmorillonit die besten Additive sind, um insbesondere aus Pappeln und Weiden-Biomasse feinstaub- und emissionsarme Pellets für Heizzwecke herzustellen. Der Effekt wird noch verstärkt, wenn die Pellets mit Weizenstärke gebunden sind.
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Als Binder auf Polysaccharidbasis kann insbeondere ein Stärkebinder zum Einsatz kommen, insbesondere ein solcher, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Weizenstärke, Kartoffelstärke, Reisstärke, Kastanienstärke; sowie Mischungen davon. Jedoch sind auch andere natürliche und synthetische Polysaccharide als Bindemittel für die Pellets geeignet.
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Zu den genannten Additiven, beispielsweise auf Alumosilikatbasis können alszusätzliche Additive in Form von Calciumverbindungen eingesetzt werden, welche in Form von Kalkstein oder Marmorstaub [CaCO3], gelöschtem Kalk [Ca(OH)2] oder gebranntem Kalk [CaO] der Lignozellulose-Biomasse zugesetzt werden können.
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Wie bereits erwähnt, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, Pellets aus einer Lignozellulose-Biomasse aus Kurzumtriebshölzern herzustellen, wobei insbesondere Bäume der Gattung der Pappeln [Populus] und/oder der Gattung der Weiden [Salix], insbesondere Salix spec., vorzugsweise Salix alba, bevorzugt sind.
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Die Pellets könne jedoch nach wie vor auch aus einer Lignozellulose-Biomasse aus Industrie- und Bauhölzern, insbesondere aus der Gattung der Fichten [Picea], vorzugsweise Picea abies und/oder der Gattung der Tannen [Abies], vorzugsweise Abies alba, hergestellt werden.
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Die erfindungsgemäßen Pellets zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Rohdichte von ca. 1,1 bis 1,3 kg/dm3, vorzugsweise > 1,20 kg/dm3 und eine Restfeuchte von ca. 5 Masse-% bis 10 Masse-% aufweisen.
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Typischerweise liegt das asche- und/oder feinstaubvermindernde Additiv in einer Konzentration von ca. 0,1 bis 3 Masse-%, insbesondere ca. 1 bis 2 Masse-%, vor.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Pellets Reinpellets aus Kurzumtriebshölzern sein.
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Selbstverständlich können auch Pellets aus Mischhölzern hergestellt werden, welche aus einer Mischung aus herkömmlichen Industrie- und Bauhölzern und KUP-Hölzern stammen.
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Beispielhafte Mischpellets können ca. 75 Masse-% Fichtenholz und ca. 25 Masse-% Kurzumtriebsholz, insbesondere Weide und/oder Pappel, vorzugsweise jeweils 50 Masse-% Fichtenholz und Kurzumtriebsholz, enthalten.
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Dem Fachmann ist wohlbekannt, dass sämtliche weitere Mischverhältnisse vom Umfang der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aufgrund der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
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Ausführungsbeispiel
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Pellets wurde Sägemehl aus entrindeter Fichte (Picea abies) sowie Sägemehl der Weide (Salix spec.) verwendet.
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Die Pelletierung erfolgte mit einer halbindustriellen Ringstempelpelletiermühle mit einer Kapazität von 150 kg/h. Die erhaltenen Pellets wurden in einer 12 kW-Kleinfeuerungsanlage verbrannt und die Abgaszusammesetzung sowie die Aerosolemission, insbesondere anhand der Aerosolbildner K, S, Cl, Cd, Zn und Pb, wurden gemessen.
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Die Holzpellets wurden aus den beiden oben angegebenen Rohmaterialien gemischt, wobei als Bindemittel Weizenstärke (0,7 Masse-%) und als Additiv Kaolin eingesetzt wurde.
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Es wurden unterschiedliche Verhältnisse Fichte zu Weide eingesetzt, nämlich von jeweils 50% Fichtenholz und Kurzumtriebsholz bis hin zu 75% Fichtenholz und 100% Weidenholz.
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Zur Kontrolle wurden die jeweiligen Holzpellets einmal ohne Additiv, jedoch mit Weizenstärke, und zum anderen mit Weizenstärke und mit Kaolin als Additiv hergestellt.
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Die Kaolinkonzentration betrug im Beispielsfall 1,5 Masse-%.
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Zur weiteren Kontrolle wurden Pellets mit Additiv, jedoch ohne Weizenstärke als Binder hergestellt.
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Bei der Abgas- und Aerosoluntersuchung der Emissionen hat sich überraschend herausgestellt, dass die Kombination von Weizenstärke als Polysaccharid-Binder und dem Alumosilikat Kaolin als Additiv selbst bei reinen Weidenpellets annähernd dieselben Abgas- und Feinstaubwerte erzielte wie die Fichtenreinpellets.
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Wurden 50%ige Mischungen aus Fichte- und Weide-Biomasse pelletiert und mit Weizenstärke als Polysaccharid-Binder und Kaolin als Additiv verwendet, so lagen die Feinstaubwerte sogar unterhalb der Werte der Pellets aus reiner Fichte.
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Nach alledem stellt die vorliegende Erfindung erstmals feinstaub- und emissionsarme Pellets aus KUP-Hölzern zur Verfügung und stellt somit eine alternative Rohstoffquelle zu den Waldhölzern Fichte und Tanne dar.
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Im Beispielsfalle betrug die Summe der Elemente K, S, Cl, Cd, Zn, Pb für Reinpellets aus Weide mit Kaolin und Weizenstärke etwa 1600 mg/kg db (dry base), während sich für Vergleichs-Reinpellets aus Fichte ca 1550 mg/kg db ergaben. Mischpellets mit jeweils 50 Masse-% aus Fichte und Weide sowie Kaolin und Weizenstärke ergaben Aerosolbildnerwerte von ebenfalls ca. 1600 mg/kg db.
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Pellets, welche nur mit Kaolin versetzt, jedoch nicht mit Weizenstärke gebunden waren, lieferten überraschend durchweg einen deutlich höheren Aerosolgehalt als Pellets, die beide Substanzen enthielten.
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Umgekehrt zeigte die Kontrolle ohne Kaolin und mit Weizenstärke praktisch keine senkende Wirkung für die genannten Aerosolbildner, während Kaolin als alleiniges Additiv – also ohne Polysaccaridbinder – zu einer drastischen Senkung des Gehalts an Aerosolbildnern führte.
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Hieraus wird geschlossen, dass das alumosilikathaltige Additiv Kaolin zwar hauptsächlich für die Aerosolbildnersenkung verantwortlich ist, jedoch die Kombination mit dem Polysaccharid unerwartet eine noch stärkere Absenkung des Gehalts an Aeorosolbildnern bewirkt. Der Grund hierfür ist derzeit noch unklar.
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Somit stehen erstmals neue Ressourcen aus bislang nicht zur Herstellung von Pellets für Heizzwecke geeigneten Kurzumtriebshölzern, insbesondere Pappel und Weide zur Verfügung.