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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pyrolysieren von Biomasse mit
einem Heizelement und mit Mitteln zum Führen der Biomasse sowie eine
Anlage hierfür
und einen erfindungsgemäß erzeugten Brennstoff.
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Als
Pyrolyse wird ein Prozess bezeichnet, bei dem organisches Material
unter weitgehendem Ausschluss von Sauerstoff bei Temperaturen bis
ca. 600°C
in gasförmige,
flüssige
und feste Abbauprodukte zerlegt wird. Ziel ist die Maximierung der
flüssigen
Abbauprodukte, die als Pyrolysat mit hohem Energiegehalt vielfältig verwendet
werden können.
Für die
technische Umsetzung eignet sich vor allem die Flash-Pyrolyse. Das
zu zerlegende organische Material wird in kürzester Zeit auf Temperaturen
von ca. 450°C
bis 500°C
aufgeheizt und die entstehenden Pyrolyse-Produkte werden überwiegend
zu Pyrolysat kondensiert.
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Verfahren,
die nach dem Prinzip der Flash-Pyrolyse arbeiten, verwenden z. B.
Sandbett-Reaktoren,
bei denen fein gemahlene Partikel mit heißem Sand vermischt werden und
so pyrolytisch abgebaut werden (vgl. WO 97/06886 Biomass Technology).
Andere Verfahren verwenden beheizte, rotierende Schreiben, gegen
die das organische Material bei Temperaturen von 500°C bis 900°C gedrückt wird
(Martin et al., „Ablative
melting of a solid cylinder perpendiculary pressed against a heated wall" in Heat Mass Transfer,
Vol. 29, No. 9, pp. 1407–1415,
1986). Andere Verfahren setzen dagegen beheizte, stationäre Reaktorplatten
ein, auf denen das abzubauende organische Material bewegt wird (Bridgwater
u. Peacocke, Fast pyprolysis processes for biomass, in Renewable & Sustainable Energy
Reviews 4, 2000, 1-73). Bridgwater und Peacocke beschreiben den
aktuellen Stand der Technik für Labor-,
Pilot- und Industrieanlagen (soweit diese vorhanden sind) vollständig. Den
dort beschriebenen Anlagen ist gemeinsam, dass der Aufbau der Reaktoren
und die Aufbereitung der Pyrolyseprodukte verhältnismäßig kompliziert ist. Weiter
erfordern die vorgenannten Anlagen das Zerlegen der Biomasse in sehr
kleine Feststoffpartikel, damit die Pyrolyse vollständig erfolgt.
Das Herstellen derart feiner Partikel ist sehr energieaufwändig und
mindert den Wirkungsgrad des Verfahrens.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren und eine einfache
Anlage zur Flash-Pyrolyse von organischem Material bereitzustellen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist ein Heizelement und Mittel zum Führen der Biomasse auf, wobei
während
der Pyrolyse das Heizelement und die Biomasse mit einem Druck von
ca. 5 bar bis zu ca. 200 bar gegeneinander gepresst werden. Das Verfahren
arbeitet bei Anwendung dieser verhältnismäßig hohen Anpress-Drücke besonders
wirtschaftlich. Nach einer geeigneten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Druck
zwischen ca. 5 bar und ca. 150 bar, bevorzugt zwischen ca. 10 bar
und ca. 100 bar, besonders bevorzugt zwischen ca. 10 bar und ca.
80 bar, vorteilhaft zwischen ca. 20 bar und ca. 60 bar.
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Das
Heizelement, an dem die abzubauende Biomasse anliegt, ist auf eine
Temperatur aufgeheizt, die über
der für
eine optimale Pyrolyse erforderlichen Temperatur liegt, da die Biomasse
durch den Kontakt mit dem Heizelement Wärme aufnimmt, die dann für die Pyrolyse
nicht mehr zur Verfügung
steht. Die Temperatur lässt
sich – auch
in Abhängigkeit
von dem angewandten Anpressdruck – in einem weiten Bereich einstellen,
etwa von ca. 300°C
bis ca. 1000°C,
vorzugsweise von ca. 400°C
bis ca. 800°C, besonders
bevorzugt zwischen ca. 500°C
und ca. 700°C,
vorteilhaft zwischen ca. 550°C
und ca. 600°C.
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Das
Heizelement ist als ebene oder gewölbte Platte ausgeführt, die
ggf. aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt ist. Das Heizelement
kann so auf einfache Weise an die Größe der Anlage angepasst werden.
Durch die Ausführung
als gewölbte
Platte kann bei gleichem Durchmesser die verfügbare Heizfläche vergrößert werden.
Die Abführung
von Pyrolyseprodukten wird zudem vereinfacht, wenn ein gewölbtes Heizelement
eingesetzt wird. Die einfache, ebene Platte ist dagegen eine preiswerte
und einfach ausführbare
Lösung
für das
Heizelement.
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Die
Platte, die als Heizelement eingesetzt wird, ist vorzugsweise kreisförmig. Der
Durchmesser der Platte kann in einem weiten Bereich variieren, beispielsweise
von ca. 20 cm Durchmesser für
Versuchs- oder Pilotanlagen bis zu ca. 300 cm Durchmesser für industrielle
Anlagen, die eine Kapazität von
ca.10.000 kg/Stunde aufweisen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Heizelements betrifft eine profilierte Platte, bei der das Profil
Raum schafft für
die Abführung
von Pyrolyseprodukten. Das Profil ermöglicht, insbesondere bei direkter
Beheizung des Heizelements, ein Aufheizen der Platte jeweils unmittelbar
vor dem Kontakt mit dem organischen Material. Zudem ist diese Ausführung der
Platte materialsparend. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Profil,
insbesondere wenn es als Rillen in der Oberfläche des Heizelements ausgebildet
ist, einen verbesserten Abtransport der Pyrolyseprodukte ermöglicht.
Besonders bevorzugt wird es, wenn das Heizelement mit Rillen ausgebildet
ist. Als sehr geeignet haben sich Rillen erwiesen, die radial angeordnet
sind.
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Das
Heizelement kann grundsätzlich
aus jedem Material gefertigt sein, das unter den Bedingungen des
Verfahrens, insbesondere Druck, Temperatur und ggf. Aggressivität der pyrolytischen
Abbauprodukte beständig
ist. Als besonders geeignet haben sich jedoch Platten aus Metall
und / oder Keramik erwiesen, ggf. auch Kombinationen aus diesen Werkstoffen.
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Die
an das Heizelement angepresste Biomasse wird durch die zugeführte Wärme ganz überwiegend
in gasförmige
und zu einem kleineren Teil in feste Bestandteile zerlegt. Es wird
bevorzugt, wenn die Verweilzeit dieser gasförmigen Pyrolyseprodukte zwischen
Entstehung und weiterer Aufbereitung auf einen Zeitraum von ca.
0,5 bis ca. 10 Sekunden, vorzugsweise von weniger als 5 Sekunden,
besonders bevorzugt von ca. 2 Sekunden eingestellt ist. Mit Blick
auf das Heizelement hat sich zum einen herausgestellt, dass die
von dem Heizelement in die Biomasse abgegebene Wärmeenergie nach diesem Zeitraum
zu einer deutlich verringerten Temperatur des Heizelements geführt hat.
Andererseits genügt dieser
Zeitraum, um die Biomasse in niedermolekulare, überwiegend gasförmige Komponenten
zu zerlegen. Die geringe Verweildauer der Pyrolyseprodukte vor der
weiteren Aufbereitung ermöglicht
die Verarbeitung eines möglichst
hohen Anteils primärer
Pyrolyseprodukte, da nicht genügend
Reaktionszeit zum Aufbau sekundärer
Pyrolyseverbindungen gewährt wird.
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Es
ist bezeichnend für
den Stand der Technik bei Pyrolyseverfahren, dass die zu zersetzende
Biomasse vor der Pyrolyse in sehr kleine Feststoffpartikel zerlegt
werden muss.
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Dies
erfordert hohen Energieaufwand und auch hohen apparativen Aufwand,
so dass die ökonomische
Bilanz bekannter Verfahren ungünstig
ausfällt.
Unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können dagegen
auch verhältnismäßig grobe
Feststoff-Teile vollständig
pyrolysiert werden. Teilchengrößen von
0,5 mm bis 70 cm, vorzugsweise 5 cm bis 50 cm, besonders bevorzugt
15 cm bis 30 cm, können
verarbeitet werden. Damit verringert sich der Aufwand für die pyrolysefertige
Aufbereitung der Rohstoffe erheblich. Der Wirkungsgrad des im Rahmen
der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens ist also besonders groß. Das Verfahren
arbeitet wirtschaftlich.
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Das
Heizelement ist vorzugsweise direkt beheizt, da in diesem Fall die
Anlage besonders einfach aufgebaut sein kann. Alternativ kann auch
eine indirekte Heizung vorgesehen sein. Vorzugsweise wird das Heizelement
direkt durch Gasbrenner beheizt. Es wird bevorzugt, wenn hierfür ein aus
der Verbrennung von pyrolytisch erzeugter Kohle gewonnenes Rauchgas
eingesetzt wird. Die in der Pyrolyse gewonnene Kohle hat einen verhältnismäßig hohen
Energiegehalt oder Heizwert, so daß die Menge der Kohle meist
ausreicht, um durch Verbrennung die erforderlichen Prozessenergie
zu erzeugen.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
werden das Heizelement und die Biomasse während der Pyrolyse relativ
zu einander bewegt. Dabei kann sowohl das Heizelement gegenüber der
Biomasse als auch die Biomasse gegenüber dem Heizelement bewegt
werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform bewegen sich sowohl
Heizelement als auch Biomasse während
der Pyrolyse gegeneinander.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform rotiert
das Heizelement während
der Pyrolyse und die Biomasse wird unter Druck gegen das Heizelement
vorgeschoben. Bei dieser Ausführungsform
hat es sich als günstig
erwiesen, das Heizelement und die Mittel zum Zuführen der Biomasse bezogen auf die
Achse, die durch die Bewegung der Biomasse vorgegeben ist, schräg anzuordnen,
vorzugsweise in einem Winkel von mehr als ca. 10°. Die durch die -bezogen auf
die Bewegungsrichtung der Biomasse- schräge Anordnung des Heizelements
entstehende Anordnung bewirkt eine für die Pyrolyse günstige Druckverteilung
und eine gute Abführung
der pyrolytischen Abbauprodukte.
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Alternativ
kann die Biomasse -zusätzlich zum
Vorschub bezogen auf das Heizelementeine zweite Bewegung, vorzugsweise
eine Rotationsbewegung bezogen auf das feststehende oder rotierende
Heizelement ausführen.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
sind die Mittel zum Führen
der Biomasse zugleich als Mittel zum Fördern der Biomasse ausgelegt.
Dabei können
die Mittel zum Führen
als U-Profile oder als Kastenprofile ausgebildet sein, in denen
die Biomasse durch Andruckwalzen, Druckstempel oder durch Kettenförderer,
die meist als Obertrum ausgelegt sein werden, an das Heizelement
gepresst werden. Alternativ können aber
auch Extruder, Schneckenförderer
oder Anordnungen von Förderwalzen
vorgesehen sein, mit denen die zu pyrolysierende Biomasse an das
Heizelement geführt
und angedrückt
wird.
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Die
zu pyrolysierende Biomasse wird nicht auf die gesamte erhitzte Fläche des
Heizelements aufgebracht. Vielmehr deckt die zu pyrolysierende Biomasse
nun einen Teil des Heizelements ab. Das Heizelement und das eine
oder die mehreren Mittel zum Führen
der Biomasse sind so angeordnet, dass die Querschnittsfläche der
Mittel zum Führen
der Biomasse insgesamt zwischen 1% und 80% der Fläche des
Heizelements, vorzugsweise zwischen 2% und 75%, besonders bevorzugt
zwischen 5 und 70%, vorteilhaft zwischen 6 und 50% der Fläche des
Heizelements während
der Pyrolyse abdeckt. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und
der Anlage wird verbessert, wenn mehrere Mittel zum Führen sowie
ggf. Mittel zum Fördern
der Biomasse angeordnet sind, die die Biomasse unter Druck an das
Heizelement anpressen. Dadurch wird ein gleichmäßiges Temperaturprofil sowohl
am Heizelement als auch an der Grenzfläche Biomasse und Heizelement
während der
Pyrolyse aufrecht erhalten.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind zweckmäßigerweise
Mittel zum Auffangen der Pyrolyseprodukte vorgesehen. Diese Mittel
sind vorteilhaft so gestaltet, dass Feststoffe infolge von Gravitation
oder mittel Zyklonen von den flüssigen
oder gasförmigen
Pyrolyseprodukten getrennt werden. Diese Mittel zum Auffangen, die
vorzugsweise als Gehäuse
ausgebildet sind, umschließen
den Raum um das Heizelement und die daran angedrückte Biomasse mindestens abschnittweise
so, dass sämtliche
Abbauprodukte der Pyrolyse, sowohl gasförmige, flüssige als auch feste Stoffe
gesammelt und der weiteren Aufbereitung und Verwertung zugeführt werden.
Die Mittel zum Auffangen der Pyroylseprodukte sind vorzugsweise
so ausgebildet, dass die Verweildauer der primären Pyrolyseprodukte möglichst
kurz gehalten wird, etwa in dem vorstehend beschriebenen, bevorzugten
Zeitraum.
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Zweckmäßigerweise
sind die Mittel zum Auffangen verbunden mit Mitteln zum Aufbereiten,
insbesondere zum Fraktionieren und auch zum Kondensieren der Pyrolyseprodukte.
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Die
Ausbeute an Pyrolyseprodukten beträgt – bezogen auf die Gesamtausbeute-
bis zu 70 Gewichts-Prozent (Gew.-%) an flüssigen, überwiegend organischen Komponenten
und jeweils ca. 15 Gew.-% an festen und gasförmigen Komponenten bezogen
auf die eingesetzte Biomasse. Der Energiegehalt der flüssigen Komponenten
liegt üblicherweise
zwischen ca. 16 und ca. 18 MJ/kg.
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Die
Mittel zum Führen
der Biomasse sowie ggf. das oder die Heizelemente sind üblicherweise auf
einem Träger
oder Rahmen installiert. Mit diesem Träger werden die hohen Andruckkräfte aufgefangen,
die während
der Pyrolyse aufzubringen sind. Es hat sich als besonders vorteilhaft
erwiesen, jeweils mindestens zwei Heizelemente und zwei Mittel zum Führen von
Biomasse spiegelbildlich anzuordnen, wobei die Heizelemente mittig
und die Mittel zum Führen
von Biomasse außen
montiert sind. Diese Konstruktion ist gerade aus mechanischen Gründen besonders
vorteilhaft, um die hohen Andrücke
während
der Pyrolyse aufzufangen.
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Bei
dieser Ausführungsform
genügt
weiter vorteilhaft z. B. nur ein Gasbrenner als Mittel zum Erzeugen
der direkten oder indirekten Heizenergie. Auch die Mittel zum Auffangen
der Pyrolyseprodukte können ökonomisch
als einheitliches Gehäuse
ausgebildet sein, die die mindestens zwei Heizelemente und -mindestens
abschnittsweise- die Mittel zum Führen der Biomasse umfassen.
Das Aufarbeiten größerer Mengen
von Pyrolyseprodukten z. B. in Kondensier- oder Fraktionieranlagen
ist bei größerem Massestrom
ebenfalls günstiger.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform betrifft
die Mittel zum Führen
der Biomasse.
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Es
hat sich als besonders wirtschaftlich erwiesen, wenn diese Mittel
nach Art einer Revolvertrommel angeordnet sind und -bezogen auf
das Heizelement- rotieren. Dabei bringen die Mittel zum Fördern für jedes
Mittel zum Führen
auf die darin enthaltene Biomasse den zur Pyrolyse erforderlichen
Druck auf. Nach einer Umdrehung ist ein erheblicher Teil der Biomasse
in Pyrolyseprodukte umgesetzt, jedoch nicht immer die gesamte Biomasse,
die in dem jeweiligen Mittel zum Führen enthalten war.
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Das
Auffüllen
der Mittel zum Führen
erfolgt nun erfindungsgemäß an einer
festgelegten Stelle, an der eine Anordnung zum Nachfüllen der
Mittel zum Führen
von Biomasse, meist ein Magazin, angeordnet ist. In einer einfachen
Ausführungsform
ist das Magazin dazu ausgelegt, Biomasse zu komprimieren und die
komprimierte Biomasse in die Mittel zum Führen einzubringen. Komprimieren
bedeutet hier je nach Art der Biomasse und den Anforderungen der Anlage
ein einfaches Verdichten, im wesentlichen ein Entlüften oder
ein wesentlich stärkeres
Verpressen bis z. B. hin zur Pelletierung. Zwischen diesen Extremen
sind alle Zwischenstufen des Verdichtens möglich.
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Nach
einer weiter verbesserten Ausführung ist
die Anordnung zum Nachfüllen
mit Mitteln zum Erfassen der freien Kapazität in dem zu füllenden
Mittel zum Führen
von Biomasse ausgestattet. Weiter ist diese Anordnung zum Nachfüllen dann
mit Mitteln zum Bemessen der nachzufüllenden Biomasse ausgerüstet. Sind
beispielsweise 80 % der ursprünglichen
Biomasse durch Pyrolyse verbraucht, so können auch nur 80% wieder nachgefüllt werden.
Signalisieren die Mittel zum Erfassen der freien Kapazität dies an
die Anordnung zum Nachfüllen,
so verdichten diese nur eine entsprechende Menge von Biomasse auf
Abmessungen, die den signalisierten 80% entsprechen und führen diese
den Mitteln zum Führen der
Biomasse zu. Alternativ ist die Biomasse bereits komprimiert und
es wird nur ein solches Volumen abgetrennt, das die Mittel zum Führen der
Biomasse aufnehmen können.
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Im
Folgenden werden – auch
zur besseren Darstellung des vorstehend erläuterten Verfahrens – Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Anlagen
zur Pyrolyse beschrieben, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren
umgesetzt wird.
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Die
Vorrichtung zum Pyrolysieren von Biomasse ist mit einer Materialzuführung und einer
Pyrolysierstation ausgestattet, wobei die Materialzuführung Mittel
zum Erzeugen von Druck zwischen 5 bar und 200 bar aufweist, die
den zu pyrolysierenden Rohstoff an die Pyrolysierstation anpressen,
und wobei die Pyrolysierstation ein Heizelement aufweist, das im
Betriebszustand auf eine Temperatur zwischen 300°C und 1000°C aufgeheizt ist.
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Die
erfindungsgemäße Anlage
weist ein Heizelement aus einem hitzebeständigen Werkstoff, vorzugsweise
Metall, Keramik oder einem Werkstoff mit metallischen und keramischen
Bestandteilen auf, dass mit einem Antrieb versehen ist. Der Antrieb
bewirkt, dass das Heizelement im Betriebszustand rotiert. Das Heizelement
hat eine Arbeitsfläche,
an die im Betriebszustand die zu pyrolysierende Biomasse angepresst
wird. Auf der entgegengesetzten Seite des Heizelements, der Heizfläche, sind
Mittel zum direkten oder indirekten Erwärmen angeordnet. Vorzugsweise
sind offene Kohlebrenner angeordnet, deren Verbrennungsgas aus pyrolytisch
erzeugter Kohle gewonnen ist. Diese Form der direkten Heizung bietet
einen hohen Wirkungsgrad und ist zudem wirtschaftlich, weil auf
diese Weise der Energiegehalt der Kohle ohne aufwändige Aufbereitung
oder langen Transport unverzüglich
gut genutzt wird.
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Das
Heizelement ist aus dem o.g. hitzebeständigen Werkstoff. Es ist als
Platte ausgebildet, die eben oder gewölbt ist, und die ggf. aus Segmenten zusammengesetzt
sein kann. Sie ist vorzugsweise, als runde, kreisförmige Platte
ausgestaltet und weist bevorzugt ein Profil auf. Ggf. ist das profilierte
Heizelement auf der Arbeitsfläche
mit Rillen versehen. Die Rillen eignen sich zum Abführen der
Pyrolyseprodukte dann besonders gut, wenn sie radial angeordnet sind.
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Der
Arbeitsfläche
gegenüber
sind die Mittel zum Zuführen
der Biomasse zum Heizelement angeordnet. Die Mittel können wie
vorstehend erläutert, vielfältig gestaltet
sein, je nach den Anforderungen der einzelnen Anlage. Bevorzugt
wird ein U-Profil verwendet, über
dessen offener Oberseite ein Magazin, z. B. ein Schacht, angeordnet
ist, um Biomasse an das Heizelement heranzuführen. Das U-Profil ragt mit
einem ersten, offenen stirnseitigen Ende bis unmittelbar vor die
Arbeitsfläche
des Heizelements. Mit dem zweiten offenen stirnseitigen Ende steht
ein hydraulischer/pneumatischer Druckstempel als Mittel zum Fördern der
Biomasse in Eingriff. Der Druckstempel wird ebenfalls in dem U-Profil
geführt
und drückt
so die darin befindliche Biomasse an die Arbeitsfläche des
Heizelements. Ist die im Schacht enthaltene Biomasse pyrolysiert,
so wird der Druckstempel zurückgefahren
und es wird aus dem Magazin, das dem Schacht zugeordnet ist, neue
Biomasse nachgeführt,
die dann vom Druckstempel komprimiert und an das Heizelement angepresst
wird.
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Mehrere
dieser U-Profile, in der Regel zwischen vier und zwanzig, sind mit
den entsprechenden Magazinen und Hydraulikstempeln vor der Arbeitsfläche angeordnet.
Sie decken ca. 1% bis ca. 85% der gesamten Arbeitsfläche ab,
vorzugsweise ca. 2% bis ca. 75%, vorteilhaft ca. 5 bis ca. 70%,
besonders vorteilhaft ca. 6 bis 50% der gesamten Arbeitsfläche. Dadurch,
dass die Arbeitsfläche
nur abschnittsweise an der zu pyrolysierenden bzw. pyrolysierten
Biomasse anliegt und dann wieder frei und unbelastet rotiert, ist
ein besonders gleichmäßiger Ablauf
der Pyrolyse gewährleistet.
Die Arbeitsfläche wird
zwischen den einzelnen Abschnitten, an denen sie an die Biomasse
angedrückt
und durch die Abgabe von Wärme
an die Biomasse abgekühlt
wird, wieder auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt und kann
die Biomasse dadurch gleichmäßig und
vollständig
abbauen. Die durch den pyrolytischen Abbau der Biomasse freigesetzten
gasförmigen
und festen Komponenten werden aufgefangen und weiter verwertet.
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Alternativ
kann die erfindungsgemäße Vorrichtun
so ausgebildet sein, dass Mittel zum Bewegen der Mittel zum Führen vorgesehen
sind, die während
der Pyrolyse die Mittel zum Führen
in Rotation versetzen und an dem feststehenden Heizelement vorbeiführen.
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Die
Mittel zum Erzeugen von Druck sind vorzugsweise als Hydraulikstempel
ausgebildet. Sie bringen einen Druck von bis zu 200 bar auf die
Biomasse und über
diese auf das Heizelement auf. Diese Anlagenteile sind deshalb entsprechend
fest verankert, so dass der erforderliche Betriebsdruck exakt eingestellt
und beibehalten werden kann. Alternativ können die Mittel zum Erzeugen
von Druck auch als Schneckenförderer,
als Extruder oder nach Art eines Walzenförderers ausgebildet sein. Dann übernehmen
die Mittel zum Aufbauen von Druck gleichzeitig die Funktion der
Mittel zum Führen
von Biomasse.
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Um
den Bereich, in den die Biomasse pyrolytisch abgebaut wird, ist
als Mittel zum Auffangen der Pyrolyseprodukte ein Gehäuse angeordnet,
in dem eine erste untere Öffnung
im Boden bzw. am unteren Ende des Gehäuses angeordnet ist. Diese Öffnung dient
zum Auffangen und Abführen
fester Pyrolyseprodukte, die durch die Schwerkraft nach unten sinken.
Mindestens eine zweite Öffnung
am oberen Ende des Gehäuses
ist mit einem Kondensator verbunden, der im Betriebszustand gekühlt ist.
Da neben den Feststoffen durch die Pyrolyse zunächst ausschließlich flüchtige Abbauprodukte
entstehen, steigen diese Pyrolyseprodukte nach oben, werden dort
aufgefangen und nach möglichst
kurzer Verweildauer im Gehäuse
an dem Kondensator bis zur flüssigen
Phase abgekühlt
und ggf. gleichzeitig fraktioniert. Die flüssigen Pyrolysate sind zwar überwiegend
organisch, enthalten aber bis zu ca. 35% Wasser und sind dementsprechend
aus einer teerartigen Fraktion und wasserlöslichen Bestandteilen zusammengesetzt. Übliche Komponenten
zur Fraktionierung und Reinigung der Pyrolysate umfassen auch Abscheide-
und Filtervorrichtungen wie z. B. Zyklone oder elektrostatische
Filter, in denen etwa noch vorhandenen Fest- oder Schwebstoffe abgeschieden werden.
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Als
Rohstoff für
die Pyrolyse können
natürliche
oder synthetische Oligomere, natürliche
oder synthetische Polymere, lignocellulosische Rohstoffe, Gummi,
Kunststoff und Gemische dieser Stoffe, Gülle, Schlamm, insbesondere
Klärschlämme, organische
Reststoffe wie Knochen, Felle, Federn, aber auch schwer zu entsorgende
Stoffe wie beschichtete, lackierte oder lasierte oder in anderer
Weise oberflächenbehandelte
Holzwerkstoffe, schließlich
auch Industrierestholz und Bauholz verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Pyrolyse von Biomasse weist -wie vorstehend ausgeführt- zum
einen eine Materialzuführung
und zum anderen eine Pyrolysestation auf. Die Materialzuführung ist ausgestattet
mit der eigentlichen Führung
für die
zu pyrolysierende Biomasse und mit Mitteln zum Aufbringen des Anpressdrucks
von ca. 5 bis ca. 200 bar an die Pyrolysierstation. Die Mittel zum
Aufbringen des Anpressdrucks sind in der Regel gleichzeitig die Mittel
zum Fördern
der Biomasse zur Pyrolysierstation. Die Führung der Biomasse ist üblicherweise
mit einem Magazin zum Nachführen
von Biomasse versehen, um einen kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung
zu gewährleisten.
Das Magazin kann von Hand oder automatisch beschickt werden.
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Die
Pyrolysierstation weist eine Welle auf, an der das Heizelement,
in der Regel eine Platte aus Metall und/oder Keramik, befestigt
ist. Die Welle wird durch einen Antrieb und ein Getriebe in Rotation
versetzt. Weiter weist die Pyrolysierstation eine Heizvorrichtung
auf, mit der das Heizelement im Betriebszustand auf eine Temperatur
zwischen 300°C
und 1000°C
aufgeheizt wird.
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Bevorzugt
wird eine direkte Heizung, alternativ kann aber auch eine indirekte
Heizung vorgesehen sein. Die direkte Heizung wird besonders energie-
und kostengünstig
mit festen Pyrolyseprodukten betrieben, die im Prozess erzeugt werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachstehend an Hand der Fig. näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Vorrichtung zur Pyrolyse;
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2 ein scheibenförmiges,
rotierendes Heizelement;
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3 eine schematische Darstellung
einer Vorrichtung zur Pyroylse mit zwei Heizelementen
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1 zeigt eine Vorrichtung 2 zur
Pyrolyse, bei der die Materialzuführung 4 und die Pyrolysierstation 6 auf
einem gemeinsamen Träger 8 angeordnet sind.
Die Materialzuführung 4 weist
eine Komponente 10 zum Erzeugen des erforderlichen Anpressdrucks
auf die Pyrolysierstation 6 auf. Hier erzeugt die Komponente 10 den
Druck mittels Hydraulik (Hydraulik-Komponente 10). Weiter
weist die Materialzuführung 4 Führungen 12 für den zu
pyrolysierenden Rohstoff auf. Vier parallel angeordnete Führungen 12 sind
vorgesehen, die jeweils durch eine eigene, zugeordnete Hydraulik-Komponente 10 über (hier
nicht näher
dargestellte) Hydraulikstempel mit dem erforderlichen Anpressdruck
zwischen ca. 5 bar und ca. 200 bar beaufschlagt werden. Gleichzeitig
bewirkt die Hydraulik-Komponente das Heranführen des Rohstoffs an die Pyrolysierstation 6.
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Der
Rohstoff wird über
Zuführ-Magazine 14 in
die Führungen 12 gefördert. Jeweils
ein Magazin 14 ist einer Zuführung 12 zugeordnet.
Die Magazine 14 können
jeweils von Hand oder automatisch gefüllt werden. Grundsätzlich kann
die Materialzuführung 4 rotierend
ausgebildet sein. Dadurch wird bewirkt, dass der Rohstoff während der
Pyro lyse auf einer erhitzten Platte der Pyrolysierstation 6 rotiert.
Bei der in 1 dargestellten
Ausführungsform
ist die Materialzuführung 4 jedoch
stationär
ausgebildet.
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Die
Pyrolysierstation 6 weist eine Aufnahme 16 auf,
die auf dem gemeinsamen Träger 8 abgestützt ist.
Die Aufnahme 16 trägt
ein Getriebe 18, das von einer Welle 20 durchsetzt
ist. Die Welle 20 trägt an
dem der Materialzuführung
zugewandten Ende 21 eine im Betriebszustand beheizte Platte 22,
die durch das Getriebe 18 in Rotation versetzt wird. Am
anderen Ende 23 der Welle 20 ist ein Antrieb 24,
hier ein elektrischer Antrieb, angeordnet, der das Getriebe 18 und
damit die Platte 22 im Betriebszustand in Rotation versetzt.
Weiter ist im Bereich des ersten Endes 21 der Welle 20 eine
Heizvorrichtung 26 vorgesehen, die die Platte 22 auf
die vorgegebene Betriebstemperatur einstellt. Die Heizvorrichtung 26 ist
bevorzugt unmittelbar an der Aufnahme 16 angeordnet. Hier
ist die Heizvorrichtung 26 als Gasbrenner ausgelegt, der
die Platte 22 im Betriebszustand direkt beheizt.
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Dort,
wo die Führungen 12 den
zu pyrolysierenden Rohstoff auf die erhitzte, rotierende Platte 22 pressen,
umschließt
ein Gehäuse 28 zum
Auffangen der Pyrolyseprodukte das Ende der Führungen 12 und die
Platte 22. Das Gehäuse 28 ist
so ausgelegt, dass feste Pyrolyseprodukte durch Schwerkraft nach unten
abgeschieden und in einem Sammelbehälter 30 aufgefangen
werden. Der weitaus größere Anteil der
Pyrolyseprodukte, der im Gehäuse 28 aufgefangen
ist, ist gasförmig
und wird über
eine Sammelleitung 32 einer (hier nicht näher dargestellten,
an sich bekannten) Kondensier- und ggf. Fraktioniervorrichtung zugeführt. Falls
erforderlich, ist beim Auffangen der Pyrolyseprodukte ein Zyklon
oder eine vergleichbare Sortier- bzw. Abscheidevorrichtung vorgesehen.
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Die
Pyrolysierstation 2 ist aus hitzebeständigem Material ausgeführt, hier
aus Metall. Die Platte 22 ist aus einem hitzebeständigen,
abriebfesten keramischen Material hergestellt.
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2 zeigt ein Heizelement
bzw. die Platte 22, also ein Detail der Pyrolysierstation 22,
die von dem (hier nicht dargestellten) Gehäuse 28 umschlossen
ist. Die Platte 22 ist auf der Welle 20 an einem Flansch 34,
dessen Durchmesser etwa der Platte 22 entspricht, drehfest
fixiert.Flansch 34 und Welle 22 sind durch Dichtungen 36 gegeneinander
ab gedichtet. Dadurch wird gewährleistet,
dass die Pyrolyseprodukte nicht über
die Befestigung der Platte 22 entweichen und ggf. Antrieb
oder Heizung der Pyrolysestation 2 beeinträchtigen.
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Die
Pyrolysestation 2 wird in der Weise betrieben, dass der
zu pyrolysierende Rohstoff, z. B. Altmöbel, Holzreste, Holzwerkstoffreste
und dergleichen in stückiger
Form in Abmessungen zwischen 5 und 70 cm oder kleiner, üblicherweise
als vorgebrochenes, oder pelletiertes Material in die Magazine 14 eingebracht
werden. Es kann aber auch ohne weiteres Biomasse in Form von Schlämmen, Gülle, Kunststoff
oder dergleichen verarbeitet werden. Die Magazine 14 und
Führungen 12 sind dann ggf. an die Form des Rohstoffs
anzupassen, z. B. indem Schneckenförderer oder andere Führungen
verwendet werden. Über
die Magazine 14 gelangt der Rohstoff in die Führungen 12.
Dort wird mittels der Hydraulik-Komponente 10 ein Druck
von 200 bar auf den Rohstoff in den Führungen 12 aufgebracht.
Der Rohstoff wird komprimiert und mit einem Druck von 200 bar gegen die
Platte 22 gepresst.
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Die
Platte 22 ist auf eine Temperatur von 750°C aufgeheizt.
Bei dieser Temperatur wird der zu pyrolysierende Rohstoff an der
Platte 22 unter Sauerstoffabschluss in feste, flüssige und
gasförmige
Bestandteile zerlegt. Da die Platte 22, bezogen auf die Führungen 12,
rotiert, werden die Pyrolysebestandteile auf der Platte freigesetzt.
Die festen Bestandteile gelangen durch die Schwerkraft nach unten
und werden durch das Gehäuse 28 dem
Sammelbehälter 30 zugeführt. Die
flüssigen
Bestandteile gehen in den gasförmigen
Zustand über
und werden zusammen mit den bereits freigesetzten Pyrolysegasen
am oberen Ende des Gehäuses 28 aufgefangen
und über die
Sammelleitung 32 Kondensier- und ggf. Fraktioniervorrichtungen
zugeführt.
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Die
Platte 22 wird im Betriebszustand durch den Motor 24 und
das Getriebe 18 in Rotation versetzt und durch die Gas-Heizung 26 auf
750°C erhitzt.
An der erhitzten Fläche
der Platte 22 liegen die vier Führungen 12 mit dem
zu pyrolysierenden Rohstoff an. Bei der Pyrolyse des Rohstoffs wird
Wärmeenergie
verbraucht, die Platte 22 kühlt ab. Dadurch, dass vier
Führungen 12 auf
der Platte 22 auftreffen, sind Zwischenräume gegeben,
in denen ein Abschnitt auf der Platte 22, der soeben an
einer der vier Führungen 12 vorbei
rotiert ist und dabei durch Pyrolyse Wärme verloren hat, erneut ohne
Wärme verlust auf
750°C beheizt
wird. Es wird durch die erfindungsgemäße Anlage also ein möglichst
gleichmäßiges Temperaturprofil
aufrecht erhalten, was eine besonders gleichmäßige Pyrolyse mit einer besonders
homogenen und vollständigen
Zusammensetzung der Pyrolysate ermöglicht. Ein sehr günstiges
Verhältnis von
Anpressfläche
des Rohstoffs zur Arbeitsfläche der
Platte 22 liegt bei 35 bis 65% der beheizten Fläche der
Platte 22.
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Ist
die in einer Führung 12 an
die Platte 22 herangeführte
Biomasse verbraucht, wird der Druck auf dem jeweiligen Druckstempel
in der Führung 12 abgebaut,
der Druckstempel wird von der Platte 22 weg in seine Ausgangsposition
zurück
bewegt. Aus dem Magazin 14 wird neue Biomasse in die Führung 12 nachgefüllt und
durch den Druckstempel, auf den nun wieder der Betriebsdruck aufgebracht
wird, komprimiert. Die Biomasse wird an die Platte 22 angepresst
und die Pyrolyse beginnt.
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Die
Heizvorrichtung 26 ist vorzugsweise als Gasbrenner ausgelegt,
der mit den festen Pyrolyseprodukten betrieben wird, die im Sammelbehälter 30 aufgefangen
werden. Diese direkte Beheizung der Platte 22, die keinen
aufwändigen
Transport von Heizmaterial erfordert, hat sich in der Energiebilanz als
besonders günstig
erwiesen.
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3 zeigt eine alternative
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2.
Zur Beschreibung dieser Ausführungsform
werden -soweit möglich-
die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in den 1 und 2.
Bei dieser Ausführung
sind auf den Trägern 8 zwei
Platten 22 als Heizelemente spiegelbildlich zueinander
angeordnet. Die Platten 22 sind mittig zueinander auf der
Trägern 8 angeordnet. Es
wird bevorzugt, wenn die Träger 8 auf
einem gemeinsamen Untergestell (Hier nicht dargestellt) fixiert sind.
Jeweils außen
sind Führungen 12 für die zu
pyrolysierende Biomasse angeordnet. Die Führungen 12 sind revolvierend
ausgebildet, sie rotieren mit ca. 3 Umdrehungen je Minute während der
Pyrolyse ebenso wie die jeweils zugeordneten Platten 22,
die mit ca. 100 Umdrehungen je Minute umlaufen. Auf der Oberseite
der Vorrichtung 2 ist über
den Führungen 12 ein
stationäres
Magazin 38 angeordnet. Dem Magazin 38 wird Biomasse
zugeführt,
die im Magazin komprimiert und in eine Form gebracht wird, die mit dem
Querschnitt des Magazins 12 korrespondiert. Das Magazin 38 ist
mit Mitteln zum Bemessen der komprimierten Biomasse versehen. Die
abgemessene, komprimierte Biomasse wird vom Magazin 38 in die
jeweils unter oder neben dem Magazin 38 befindliche Führung 12 gefördert. Auf
diese Weise genügt ein
Magazin 38, um sämtliche
Führungen 12 mit
Biomasse zu versorgen.
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Das
in 3 gezeigte Magazin 38 ist
zudem mit Mitteln zum Erfassen der freien Kapazität der jeweils
zu füllenden
Führung 12 ausgestattet.
Am einfachsten sind diese Mittel als optische Erfassungsmittel ausgebildet.
Alternativ kann die Stellung des Druckzylinders 10 erfasst
werden, dessen Stellung anzeigt, ob Biomasse in der zu füllenden
Führung 12 verblieben
ist. Je nach Signal der Mittel zum Erfassen komprimiert das Magazin 38 nun
eine korrespondierende Menge an Biomasse, deren Abmessungen nun
den verfügbaren
und zum Nachfüllen
anstehenden Raum in der Führung 12 entsprechen.
Durch diese Maßnahme
ist gewährleistet,
dass jede Führung 12 nach
Passieren des Magazins 38 vollständig gefüllt ist, unabhängig davon,
ob vor Erreichen des Magazins sämtliche
Biomasse pyrolysiert wurde. Gleichzeitig gewährleistet diese Anordnung auch, dass
Führungen 12 unterschiedlicher
Größe aus nur einem
Magazin 38 beschickt werden können. Typische Größenordnungen
für die
zu befüllenden
Magazine sind beispielsweise eine maximale Breite von ca. 2 cm,
eine Höhe
von ca. 28 cm und eine Tiefe von ca. 15 bis ca. 30 cm. Werden beispielsweise
Holzhackschnitzel oder Holzfasern verarbeitet, so ist dem Magazin 38 ein
hier nicht dargestellter Feeder vorgeschaltet, der von einer Schachtbreite
von ca. 4 cm ausgehend die Biomasse kontinuierlich auf ca. 2 cm Dicke
komprimiert, wobei die Länge
der komprimierten Biomasse dem Füllgrad
der geleerten Schächte angepasst
wird. Wenn die Führung 12 nicht
vollständig
geleert wurde, wird kürzere
komprimierte Biomasse zugeführt.
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Aufgrund
der Anordnung der Führungen 12 und
der Platten 22 sind die Kräfteverhältnisse bei der in 3 gezeigten Anordnung während der
Pyrolyse besonders günstig
aufgeteilt, da zwei Vorrichtungs-Hälften 2A und 2B gegeneinander
arbeiten.
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Die
Heizelemente (hier nicht dargestellt) und die Platten 22 sind
in einem gemeinsamen Gehäuse (hier
nicht dargestellt) angeordnet und werden wahlweise von einem gemeinsamen
Gasbrenner oder von zwei getrennten Brennern beheizt. Die Pyrolyseprodukte,
die an den beiden Platten 22 entstehen, werden gemeinsam
aufgearbeitet. Auch dies begünstigt
ein wirtschaftliches Arbeiten.