DE102020117914B4

DE102020117914B4 - Verfahren zur Aufbereitung und/oder Brenngasgewinnung aus einer organischen, Flüssigkeit enthaltenden Reststofffraktion und aus Holzhackschnitzeln

Info

Publication number: DE102020117914B4
Application number: DE102020117914.6A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2024-01-11
Anticipated expiration: 2040-07-08
Also published as: DE102020117914A1

Abstract

Verfahren zur Aufbereitung von und/oder zur Brenngasgewinnung aus einer organischen, Flüssigkeit enthaltenden Reststofffraktion und aus Holzhackschnitzeln mit folgenden Schritten:- Überführen von Hackschnitzeln, die eine Restfeuchte von 20% bis 40% besitzen, aus einem Lagerbehältnis in eine isolierte und temperierbare, doppelwandige Förderschnecke;- Aufweichen von Holzhackschnitzeln in der temperierbaren Förderschnecke unter Flüssigkeitszugabe;- Mischen der entwässerten organischen Reststofffraktion mit den aufgeweichten Holzhackschnitzeln,- Extrudieren der Mischung durch einen isolierten Doppelschneckenextruder, wobei das extrudierte Gemisch in dem Extruder so stark erhitzt wird, dass durch einen Dampfstoßeffekt in den Zellen des Holzes eingeschlossenes Wasser verdampft und ein Zellaufschluss erreicht wird, und wobei das Gemisch durch eine Extruderdüse hindurch gegen eine außen, gegenüber der Extrudermündung angeordnete, rotierende Strukturscheibe gepresst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung und/oder Brenngasgewinnung aus einer organischen, Flüssigkeit enthaltenden Reststofffraktion und aus Holzhackschnitzeln.
Eine große Herausforderung in der modernen intensiven Landwirtschaft ist die umweltschonende Entsorgung von Mist und Gülle. Soweit das Ausbringen auf die Felder nicht möglich oder zulässig ist, erfordert insbesondere der hohe Feuchtigkeitsgehalt große Lagervolumina zum Zwischenlagern und verhindert eine anderweitige Vernichtung z. B durch Verbrennung. Eine vollständige Trocknung ist in der Regel nicht wirtschaftlich zu betreiben. Die Verwendung zur Erzeugung von Biogas in Reaktoren ist hinlänglich erforscht und wird praktiziert, jedoch bleibt auch bei der Vergasung eine Reststofffaktion mit hohem Flüssigkeitsgehalt übrig.
In DE 21 2005 000 040 U1 ist eine Anlage zum Trocknen und Wärmebehandeln beschrieben. Die Verwendung von Einrichtungen wie einer Gasturbine ist außerordentlich energieintensiv. Offenbart ist ein komplexes Verfahren mit einer großen Anzahl von Zwischenschritten. Es werden jedoch keine überraschenden Effekte genutzt, um die Trocknung mit wenig Einsatz an Primärenergie zu bewirken. Die Ausgangsstoffe werden einfach erhitzt, wobei allein durch die extern zugeführte Energie vorhandenes Wasser verdampft, das aufgefangen wird und kondensiert.
Das Gebrauchsmuster DE 20 201 7107 282 U1 des Anmelders offenbart einen Extruder für die Auffaserung von Substraten aus organischen Rest- und Rohstoffen mit zwei Extruderschneckenwellen. An einer Stirnseite des Extrudergehäuses ist ein Lochmatrizenelement mit mehreren Auslassausnehmungen vorgesehen. Diesem gegenüberliegend angeordnet ist eine rotierbare oder schwingende Abtragsscheibe mit einer strukturierten Oberfläche vorgesehen, die die aus dem Extruder heraustretenden Fasern abschert. Beschrieben ist die Verwendung der Maschine im Zusammenhang mit der Auffaserung von Holzresten.
Keine der beiden Schriften gibt an, wie flüssige organische Reststoffe wie Gülle oder Mist, die bekanntermaßen hohe Mengen an Ammoniak enthalten, behandelt werden können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Flüssigkeitsgehalt einer organischen, Flüssigkeit enthaltenden Reststofffraktion wie insbesondere Mist, Gülle und Gärreste soweit zu reduzieren, dass eine Lagerung und unmittelbare Weiterverwertung wie insbesondere eine anschließende Vergasung zur Erzeugung von Brenngas möglich ist.
Als Lösung wird das Verfahren nach Anspruch 1 vorgeschlagen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet „Flüssigkeit enthaltend“, dass freie, also ungebundene, wässrige Abfälle vorhanden sind, die behandelt werden, so dass der Anteil an ungebundener Flüssigkeit reduziert oder ganz beseitigt wird.
Die Lösung der Erfindung beruht auf einer gleichzeitigen Verarbeitung der Flüssigkeit enthaltenden Reststofffraktion und zusätzlichen Holzhackschnitzeln. Indem die Holzhackschnitzel mechanisch aufgebrochen werden, wird die natürliche Saugfähigkeit von Holzfasern genutzt, um die Feuchtigkeit aus der ersten Fraktion aus Gülle, Gärresten und/oder Mist herauszuziehen und zu binden. Dazu werden die Holzhackschnitzel in zwei Stufen aufgefasert:

- Eine erste Stufe wird in einer temperierbaren Förderschnecke gebildet, wo eine starke Durchmischung mit Wasser oder direkt mit Flüssigkeit, die aus der feuchten Fraktion abgezogen wurde, erfolgt. Es treten erste Saugeffekte ein und das Holz quillt auf. Die Scherung in der Schnecke führt zu ersten Zerkleinerungen, was zugleich eine enorme Oberflächenvergrößerung und damit einhergehende Steigerung des hygroskopischen Speicherpotentials hervorruft.
- In der zweiten Stufe erfolgt die Vermischung der aufgeweichten Holzpartikel und der organischen Reststofffraktion, die noch nass oder feucht ist, von der aber hohe Flüssigkeitsanteile bereits abgeschieden worden sind. Diese Mischung wird durch einen Doppelschneckenextruder gepresst. Die damit einhergehende Erhitzung wie auch die mehrfache Kompression und Entspannung, die durch über die Länge unterschiedliche Steigungen bewirkt wird, lässt Feuchtigkeit verdampfen und begünstigt im Übrigen den weiteren Aufschluss der Holzfraktion. Die Zellen sowohl von den Feststoffanteilen der Reststofffraktion, die Gülle oder Mist enthält wie auch die der Holzfraktion werden dabei weit aufgeschlossen. Bei der Reststofffraktion kann Methan aus vorhergehenden Gärprozessen entweichen und separat als Brenngas oberhalb der Misch- und Förderschnecke aufgefangen werden.

Das Extrudat wird gegen eine rotierende Strukturscheibe gepresst, die außerhalb des Extruders und gegenüber der Extrudermündung angeordnet ist, so dass nochmals eine Auffaserung erfolgt.
Durch Auslagerung oder weitergehende Trocknung durch Abwärme wird das Extrudat soweit getrocknet, dass es in einem Holzvergaser vergast werden kann. Beobachtet wird zudem, dass sich im Gemisch ein neutraler pH-Wert einstellt.
Ein sehr wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das Produkt aufgrund der starken Erwärmung keimfrei und geruchsneutral ist; allenfalls ist ein typischer Geruch von frisch geschlagenem Holz wahrnehmbar. In der Gülle enthaltenes Ammoniak wird daher bei der Verarbeitung aufgespalten und/oder gebunden.
Das Verfahren nach der Erfindung wird nachfolgend ausführlich erläutert:
Ausgangsstoffe:

1) Flüssigkeit enthaltende, organische Reststofffraktion wie Gülle und Gärreste und Mist jeglicher Art wie zum Beispiel Pferde-, Kuh-, Rinder-, Hühner-, Putenmist.
2) Holzhackschnitzel unterschiedlicher Fraktionsgrößen und unterschiedlicher Holzsorten, insbesondere Kiefer und Fichte. Möglich sind auch Birke, Buche, Erle, Esche, Eiche. Ungeeignet hingegen ist Pappelholz.

Vorbereitung:
Gülle und Gärreste werden über eine Zentrifuge, ein Schneckenpressverfahren, Hydraulikpresssysteme oder eine ähnliche Separiertechnik, die dicke von flüssigen Medien trennen kann, separiert. Die dickflüssige Phase mit einem Trockenstoffgehalt Ts zwischen 15% bis 25%, vorzugsweise 18% bis 20%, kann direkt weiterverarbeitet werden oder in geeigneten Lagerbehältern oder Lagertanks gelagert werden.
Der zu verarbeitende Mist wie zum Beispiel Pferde-, Kuh-, Rinder-, Hühner-, Putenmist kann auf dafür geeignete Mistfalten, Container, überdachten Container, überdachten Remisen, Hallenflächen oder andere dafür geeignete Lagerflächen gelagert werden.
Vor der weiteren Verarbeitung kann der Mist geschreddert werden, um eine homogene gleichmäßige Masse zu erreichen. Zusätzlich kann der Mist auch getrocknet werden. Diese Bearbeitungsschritte sind nicht unbedingt erforderlich.
Die dickflüssige Phase der Gülle oder des Gärrestes und/oder der Mist werden in einen Materialbunker, der ggf. mit einer Förderschnecke versehen ist, oder in ein ähnliches Behältnis eingefüllt.
In einem zweiten Materialbunker oder einem ähnlichem Behältnis werden Holzhackschnitzel unterschiedlicher Fraktionsgrößen und unterschiedlicher Holzsorten wie zum Beispiel sämtliche Sorten von Kiefer, Fichte, Birke, Buche, Erle, Esche, Eiche oder andere Holzsorten eingefüllt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren sollte das Holz als stückiges, nicht flächiges Gut in der Größenklassifikation G30, G40 oder G50 vorliegen.
Möglich ist auch die Verwendung von Mikropellets mit einem mittleren Durchmesser von 10mm bis 20 mm.
Das Holz sollte eine Restfeuchte von 20% bis 40% haben, insbesondere etwa 30%. Das Holz sollte jedoch nicht noch trockener sein, da dann die auf die Misch- und Förderschnecke und im Extruder wirkenden Kräfte zu hoch sind.
Die Restfeuchte muss auch deshalb in der genannten Weise eingestellt werden, damit ein Dampfstoßeffekt erzielt werden kann, das heißt, dass bei der späteren starken Erhitzung im Extruder in den Zellen eingeschlossenes Wasser verdampft und dadurch den Zellaufschluss herbeiführt. Außerdem hat der Dampf eine keimtötende Wirkung.
Aufweichen:
Die Hackschnitzel gelangen über eine Einfüll-/ Materialübergabe von dem Lagerbehältnis in eine isolierte doppelwandige Förderschnecke. In der Einfüll- oder Materialübergabe kann das Holz/ der Hackschnitzel mit einem flüssigen Medium wie zum Beispiel Wasser oder einem Gülle-Konzentrat besprüht werden, um den genannten Feuchtegehalt einzustellen.
Durch die doppelte Wand der Förderschnecke fließt temperiertes, insbesondere kaltes Wasser. Die Hackschnitzel werden dadurch in positiver Weise konditioniert. Durch eine geeignete Förderschneckengeometrie wird das Fördergut vorgebrochen und aufgeweicht. Am Ende der Förderschnecke kann ein zusätzlicher Brecher oder Scheibenzerkleinerer angebaut werden,
Mischung:
Vorzugsweise werden die zu verarbeitenden Grundstoffe in mehreren Behältern bereitgestellt.
Beispielsweise fällt das Material aus einem ersten Behälter und einem Behälter in eine Misch- und Förderschnecke oder eine ähnliche Förder- und Mischmöglichkeit.
Weitere Materialien können beliebig zu gemischt werden. Die Zumischung von Lehm beispielsweise führt zu einem hochwirksamen, organischen Dämmstoff zum Einblasen in Hohlräume.
Das Mischungsverhältnis von Gülle mit den oben genannten Trockenstoffanteilen zu Holz mit der genannten Restfeuchte sollte etwa 40 : 60 bis 50 : 50 betragen. Wird statt Gülle Mist verarbeitet, wo der Wassergehalt niedriger und der Cellulosegehalt deutlich höher als bei Gülle ist, kann ein Verhältnis von 80 : 20 gewählt werden.
Auffasern und Erhitzen:
Das gemischte Material fällt anschließend in ein System zur Zerfaserung organischer Stoffe durch Extrusion in einem Doppelschneckenextruder und Auspressen des Strangs aus einer Düse gegen eine rotierende Strukturscheibe wie in EP 3492255 B1 beschrieben. In diesem System wird das Material während des Durchlaufs unterschiedlich gebrochen, gerieben, entspannt und gezogen. Das Material wird durch mehrere Bearbeitungsstufen transportiert. Bei der letzten Stufe wird das Material gegen strukturierte Endplatten mit einer Bohrung gedrückt. Durch die äußere Isolierung der letzten Bearbeitungsstufe kann das Material thermisch beeinflusst werden. Bei dem Bearbeitungsprozess entsteht eine Temperatur zwischen 50° und 200° Celsius. Die Endplatten können gewechselt werden. Durch das Wechseln der Endplatten wird die Materialstruktur verändert. Das gemischte Material kann auch durch andere Brecher-, Scheiben-, Retruder-, oder Extrudersytemen mit einer Struktur hergestellt werden.
Weitere Verarbeitung:
Das fertige Material fällt entweder auf ein Förderband, in eine Materialförderschnecke, auf ein Trockenband oder in eine Mischschnecke. In der Mischschnecke kann das Material mit anderen Materialien oder Medien in Verbindung gebracht und gemischt werden. Diese Materialien bzw. Medium können Pulver-, Konzentrat,- oder Wasserformen sein.
Das Material kann mit unterschiedlichen Trockensubstanzgehalten/ Trockenmassen eingelagert werden.
Das Material kann durch Fremdwärme, durch die Abwärme der für das Verfahren genutzten Aufbereitungsanlage oder von anderen Systemen, wo Abwärme erzeugt wird oder anfällt, getrocknet werden.
Wenn das Material fast oder ganz trocken ist, also eine Restfeuchte von etwa 5% aufweist, wird es über einen Materialbunker in einen Holzvergaser transportiert. Das Material ist bauschig und voluminös. Es ist gröber als Baumwollwatte, aber feiner als herkömmliche Holzwolle.
Im Holzvergaser wird das gemischte Material verbrannt. Durch das Verbrennen wird ein Gas erzeugt, das einen oder mehrere BHKWs antreibt. Dadurch kann Strom erzeugt werden. Die beim Verbrennen entstehende Abwärme kann zum Trocknen von Materialien oder Gebäuden genutzt werden. Aufgrund des hohen Heizwertes bleiben nur wenig Aschenrückstände. Diese wiederum enthalten anorganische Verbindungen, die durch die Mitverarbeitung der Gülle anfallen wie Phosphate, so dass die Asche als Dünger einsetzbar ist.
Das Material kann auch anderweitig verbrannt werden, beispielsweise in Verbrennungsanlagen. Aus dem Material können auch Pellets oder Briketts für die Verbrennung hergestellt werden.
Optionale Kühlung:
Überraschenderweise wurde gefunden, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die besten Produkteigenschaften erzielt werden, indem die Holzhackschnitzel vor oder während der der Vermischung mit der flüssigen Reststofffraktion bis auf eine Temperatur von kleiner als 2°C, insbesondere zwischen -2°C und 0°C, gekühlt werden

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von und/oder zur Brenngasgewinnung aus einer organischen, Flüssigkeit enthaltenden Reststofffraktion und aus Holzhackschnitzeln mit folgenden Schritten: - Überführen von Hackschnitzeln, die eine Restfeuchte von 20% bis 40% besitzen, aus einem Lagerbehältnis in eine isolierte und temperierbare, doppelwandige Förderschnecke; - Aufweichen von Holzhackschnitzeln in der temperierbaren Förderschnecke unter Flüssigkeitszugabe; - Mischen der entwässerten organischen Reststofffraktion mit den aufgeweichten Holzhackschnitzeln, - Extrudieren der Mischung durch einen isolierten Doppelschneckenextruder, wobei das extrudierte Gemisch in dem Extruder so stark erhitzt wird, dass durch einen Dampfstoßeffekt in den Zellen des Holzes eingeschlossenes Wasser verdampft und ein Zellaufschluss erreicht wird, und wobei das Gemisch durch eine Extruderdüse hindurch gegen eine außen, gegenüber der Extrudermündung angeordnete, rotierende Strukturscheibe gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das extrudierte Gemisch bis zur Erreichung eines Soll-Trockenstoffgehaltes offen ausgelagert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Reststofffraktion vor dem Einbringen in die Förderschnecke bis auf einen Trockenstoffgehalt von 15% bis 25% entwässert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Reststofffraktion vor dem Einbringen in die Förderschnecke bis auf einen Trockenstoffgehalt von 18% bis 20% entwässert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der temperierten Förderschnecke ein zusätzlicher Brecher oder Scheibenzerkleinerer angebaut ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Mist als organische Reststofffraktion der Mist vor der Vermischung mit den Holzhackschnitzeln geschreddert wird, um eine homogene gleichmäßige Masse zu erreichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das extrudierte Gemisch in einem Holzvergaser vergast wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzhackschnitzel vor oder während der Vermischung mit der flüssigen Reststofffraktion bis auf eine Temperatur von kleiner als 2°C gekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzhackschnitzel vor oder während der der Vermischung mit der flüssigen Reststofffraktion auf eine Temperatur zwischen -2°C und 0°C, gekühlt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei den durch die organische Reststofffraktion aufgeweichten Holzpartikeln durch Verwendung einer Förderschnecke mit über die Länge unterschiedlichen Steigungen eine mehrfache Kompression und Entspannung bewirkt wird.