DE19508400A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Trocknen von feuchtem Material - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Trocknen von feuchtem Material

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Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von An­ spruch 13.
Es ist aus der DE 40 13 761 C2 bekannt, daß pastöses und/oder brockiges Material, welches Feststoffe, Wasser und Zusatzstoffe aufweist, auf einer luftdurchlässigen Fördereinrichtung in einem schichtförmigen luftdurch­ lässigen Haufwerk aufgebracht und mittels der Fördereinrichtung durch eine Trocknungseinrichtung durchbewegt wird, während gleichzeitig in der Trocknungseinrichtung ein Trocknungsgasstrom im Gegenstrom durch die Haufwerkschicht durchgeleitet wird, um das Wasser dem feuchten Material zu entziehen, wobei die Haufwerkschicht derartig mit dem Trocknungsgas­ strom beaufschlagt wird, daß sie während ihres Transportes durch die Trockeneinrichtung hindurch an keiner Stelle 348 K übersteigt, und die Haufwerkschicht maximal auf 343 K erwärmt wird.
Bei der Bereitstellung des Trocknungsgasstromes durch Verbrennung von Energieträgern wie Erdgas, Erdöl oder Faulgas werden mit zunehmend fi­ nanziellem Aufwand die begrenzten natürlichen Ressourcen an Primärener­ gieträgern verringert und Emissionen, insbesondere an Kohlendioxid, er­ höht, was zu einer globalen Erwärmung der Erdatmosphäre (Treibhausef­ fekt) beiträgt. Zudem sind bei konventionellen Trocknungseinrichtungen aufgrund der relativ hohen Temperaturen des Trocknungsgases in der Trocknungseinrichtung die Brüden relativ hoch mit Schmutz- und Schad­ stoffen belastet, so daß die Abluft durch verfahrenstechnisch und finanziell aufwendige Verfahren wie z. B. Brüdenkondensation und Bio­ wäsche behandelt werden muß, bevor sie an die Umgebung abgegeben wer­ den darf.
Aus der DE 43 15 321 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Trocknung von Schlämmen und verschmutzten Flüssigkeiten mit Unterstüt­ zung von Solarstrahlung bekannt, wobei die Zuluft von Sonnenenergie­ sammlern oder sonstiger Fremdenergie vorgewärmt wird. Die in diesem Verfahren beschriebene Luftvorerwärmung bezieht sich nicht auf die Trocknungsluft für die Trocknung von feuchtem Material, sondern vielmehr auf die Luft, die zur zusätzlichen Auflockerung und Reinigung einer Fil­ terschicht mit Hilfe einer Luftdruckerhöhungsanlage eingeblasen wird. Die für die Trocknung des Schlammes vorgesehene Luft wird aufgrund natürli­ cher Konvektion und, falls notwendig, mit Unterstützung von mechanischen Antrieben durch eine als Trocknungseinrichtung zu bezeichnende gewächs­ hausähnliche Konstruktion geleitet, wobei es sich für den Trocknungs­ vorgang als sehr günstig erweist, wenn das umschließende Gebäude mit einer transparenten Hülle ausgebildet wird, so daß die einfallende Strah­ lung das zu trocknende Material direkt erwärmt. Die für die Trocknung verwendete Luft wird demnach nicht gezielt durch Solar-Luftkollektoren geleitet und erwärmt. Des weiteren werden in diesem besagten Verfahren keine eindeutigen Angaben darüber gemacht, wie hoch die Temperatur der Trocknungsluft am Trocknereingang oder am Trocknerausgang ist, ob und wie hoch die Abluft mit Schad- und Schmutzstoffen belastet ist, und ob bei der Schlammtrocknung eine Abluftbehandlung notwendig ist.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, wo­ bei die Trocknung von feuchtem Material, das Feststoffe, Wasser und Zu­ satzstoffe enthält, energiesparend und derart durchgeführt wird, daß bei der Trocknung von Futtermitteln und Veredelungsprodukten nur das Wasser und keine Wert- und Nutzstoffe aus dem feuchtem Material entfernt wer­ den, und daß bei der Trocknung von schmutz- und schadstoffhaltigen Produkten, insbesondere von Klärschlamm, aufgrund der sehr niedrigen Belastung der Abluft mit Schad- und Schmutzstoffen auf eine verfahrens­ technisch und finanziell aufwendige Behandlung derselben verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 bzw. 13 dadurch gelöst, daß Umgebungsluft zunächst durch Solar-Luftkollek­ toren gesaugt wird, sich die Luft bei Sonneneinstrahlung auf die Luft­ kollektoren erwärmt und anschließend als Trocknungsluft durch die Trocknungseinrichtung gesaugt wird, wo sie das Wasser aus dem feuchten Material aufnimmt. Dadurch werden der Einsatz von Primärenergieträgern, Faulgas und wertvoller Verbrennungswärme zur Trocknung verringert, die natürlichen Ressourcen an Primärenergieträgern geschont und CO₂-Emis­ sionen vermindert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen geben die Unteransprüche an.
Die Umgebungsluft wird mittels - der Trocknungseinrichtung nachgeschal­ teter - Ventilatoren zunächst durch mehrere in Reihe und parallel ge­ schaltete Solar-Luftkollektoren gesaugt. Diese Absorbereinheiten bestehen im wesentlichen aus einem Gehäuse, aus Absorber-Profilelementen (Kanä­ len) eines schwarz-beschichteten Rippenabsorbers aus Aluminium, die sich von einer Stirnseite des Mantels zu dessen gegenüberliegender Stirnseite erstrecken, aus innenliegenden Wärmedämmschichten, die die Absorber-Pro­ filelemente vom jeweiligen Rücken und von den beiden Seitenflächen im Abstand halten, sowie aus einer transparenten Abdeckung zur Reduzierung der Emissionsverluste der Absorbereinheit.
Während die Umgebungsluft durch die Absorber-Profilelemente auf der strahlungsabgekehrten Seite gesaugt wird, wird auf den Absorber-Profil­ elementen die Solarstrahlung absorbiert, in thermische Energie umgewan­ delt und die dadurch gewonnene Wärmemenge an den kälteren Luftstrom zur strahlungsabgekehrten Seite hin übertragen. Die somit gewonnene Trocknungsluft wird anschließend direkt an einer oder an mehrere Stellen der dem Kollektorfeld nachgeschalteten Trocknungseinrichtung zugeführt, indem eine oder mehrere Ventilatoren, die der Trocknungseinrichtung nachgeschaltet sind, die Trocknungsluft durch den Trockner saugen, wodurch das feuchte Material getrocknet wird. Die Abluft aus der Trock­ nungseinrichtung kann wahlweise und zu verschiedenen Masseanteilen, insbesondere dann, wenn die Abluft noch Feuchtigkeit aufnehmen kann, der Trocknungsluft am Eintritt zur Trocknungseinrichtung wiederholt bei­ gemischt werden.
Die Temperatur der Trocknungsluft am Eintritt zur Trocknungseinrichtung wird auf einen konstanten Wert eingestellt. Dazu wird die Eintrittstem­ peratur kontinuierlich gemessen. Bei zu geringer Temperatur der Trock­ nungsluft am Eintritt zur Trocknungseinrichtung wird die solarerwärmte Luft nach den Luftkollektoren und vor der Trocknungseinrichtung durch einen mit Verbrennungsabgasen oder Abwärme betriebenen Wärmeaustau­ scher so lange zusätzlich erwärmt, bis die Temperatur der Trocknungsluft am Eintritt zur Trocknungsanlage wieder konstant im Bereich von 323 K bis 343 K eingestellt ist. Bei zu hoher Temperatur der Trocknungsluft am Trocknereintritt wird die Geschwindigkeit der Umgebungsluft durch die Solar-Luftkollektoren so weit erhöht, bis die Temperatur der Trocknungs­ luft am Trocknereintritt wieder konstant im Bereich von 323 K bis 343 K eingestellt ist.
Durch diese niedrige und konstant einstellbare Temperatur der Trock­ nungsluft ergeben sich die weiteren Vorteile, daß bei der Trocknung von Futtermitteln wie Halmfutter, Getreide oder Leguminosen und von Verede­ lungsprodukten wie Obst, Gemüse, Heil- und Gewürzpflanzen, Hopfen, Ta­ bak oder Kaffee die entsprechenden Produkte schonend behandelt werden, so daß nur das Wasser und nicht Nutz- und Wertstoffe mit der feuchten Abluft entfernt werden.
Wie oben bereits angedeutet, ist das erfindungsgemäße Verfahren beson­ ders geeignet für die Trocknung von Klärschlamm, da aufgrund der kon­ stant niedrigen Temperaturen der Trocknungsluft am Trocknereintritt und somit auch relativ niedrigen Temperaturen in der Trocknungseinrichtung einerseits die Emissionen von Stickstoffverbindungen aus dem Klärschlamm gegenüber konventionellen Trocknungsverfahren sehr gering sind, und so­ mit der Nährstoffgehalt des Klärschlammes durch die Trocknung kaum re­ duziert wird, was zu einer Steigerung der Klärschlammqualität betreffend seines Düngewertes führt und seine Verwertung in der Landwirtschaft oder bei Rekultivierungsmaßnahmen fördert. Andererseits wird durch diese niedrige Trocknungstemperatur der organische Anteil des Klärschlammes nicht verringert, weshalb der Brennwert des Klärschlammes auf hohem Ni­ veau (ähnlich dem der Braunkohle) erhalten wird, was seine Eignung als Brennstoff fördert. Aus dem feuchten Material wird also nur der Wasser­ anteil abgetrennt, während Feststoffe und Zusatzstoffe, insbesondere Dioxine, Furane, Quecksilber und andere Schwermetalle sowie organische Verbindungen/Schmutzstoffe, die die BSB₅-, CSB- und Stickstoffkonzentra­ tionen des Kondensates erhöhen und zu Geruchsemissionen führen, nicht mobilisiert werden, sondern im stückigen Material verbleiben. Eine Be­ handlung der Abluft aus der Trocknungseinrichtung, wie z. B. der Einsatz von Brüdenkondensatoren oder Biowäsche, ist somit überflüssig.
Daraus resultieren die weiteren Vorteile, daß die Abluftbehandlung mit geringem verfahrenstechnischen und finanziellen Aufwand vorschriftsmäßig durchgeführt werden kann, und daß keine Rückbelastung der Kläranlage durch Brüdenkondensate mit allen negativen Folgen für die biologische Abwasserreinigung entsteht. Ein weiterer Vorteil gegenüber konventionellen Solartrocknern besteht darin, daß für den Betrieb der Trocknung des feuchten Materials ein Trocknungsmedium von konstanter Qualität zur Ver­ fügung steht, wodurch ein stationärer Trocknungsbetrieb erleichtert wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine blockschaltbildartige Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Solar-Luftkollektors.
Fig. 1 zeigt das Solar-Luftkollektorfeld 1, das aus mehreren in Reihe und parallel geschalteten Solar-Luftkollektoren 30 besteht, durch die Umge­ bungsluft 2 mittels Ventilatoren 3. Die Ventilatoren 3 sind der Trock­ nungseinrichtung 4 nachgeschaltet. Während die Umgebungsluft 2 durch die Solar-Luftkollektoren 30 gesaugt wird, erwärmt sich diese bei Son­ neneinstrahlung auf die Kollektoren 30. Reicht die Erwärmung der Trock­ nungsluft durch die Kollektoren 30 aus, um die Temperatur der Trock­ nungsluft am Eintritt zur Trocknungseinrichtung 4 konstant im Bereich von 323 K bis 343 K einzustellen, so wird die Trocknungsluft über den direk­ ten Luftkanal 6 vom Solar-Luftkollektorfeld der Trocknungseinrichtung 4 zugeführt.
Übersteigt die Temperatur der Trocknungsluft am Trocknereintritt 6 den Temperaturbereich, so wird der Massendurchsatz der Umgebungsluft 2 durch die Solar-Luftkollektoren 30 über die Ansaugleistung der Ventilato­ ren 3 so weit erhöht, bis die Temperatur der Trocknungsluft am Trockner­ eintritt 5 wieder konstant im Bereich von 323 K bis 343 K liegt.
Liegt dagegen die Temperatur der Trocknungsluft am Trocknereintritt 5 unterhalb des Temperaturbereiches von 323 K bis 343 K, so wird die Trocknungsluft nach dem Kollektorfeld 1 und vor der Trocknungseinrich­ tung 4 teilweise oder auch vollständig über einen Bypass 7 geleitet, in welchem die Trocknungsluft mittels eines indirekten Lufterhitzers 8, der mit Verbrennungsabgasen oder Abwärme 9 als wärmeabgebene Stoffe betrie­ ben wird, zusätzlich erwärmt wird, bis die Temperatur der Trocknungsluft am Trocknereintritt 5 konstant im Bereich von 323 K bis 343 K eingestellt ist. Die Einstellung des Massenstromes an Trocknungsluft durch den By­ pass 7 erfolgt durch Verstellen der Rückschlagklappe 10 im direkten Luft­ kanal 6 und/oder durch Verstellen der Rückschlagklappe 11 im Bypass 7. Die beiden Trocknungsluftströme, die über den Bypass 7 bzw. durch den direkten Luftkanal 6 geleitet werden, werden an der Verknüpfungsstelle 12 wieder zusammengeführt.
Sobald die Temperatur der Trocknungsluft 13 nach dem Kollektorfeld und vor der zusätzlichen Erwärmung wieder im Bereich von 323 K bis 343 K liegt, wird die zusätzliche Erwärmung der Trocknungsluft durch den in­ direkten Lufterhitzer 8 wieder eingestellt.
Die Trocknungsluft 13 tritt an einer oder an mehreren Stellen 5 in die Trocknungseinrichtung 4 ein, in der sie das an einer anderen Stelle der Trocknungseinrichtung 4 zugeführte feuchte Material 15 trocknet. Trock­ nungsluft 13 und feuchtes Material 15 werden vorzugsweise im Kreuz-Ge­ genstrom zueinander geführt, wobei aber auch eine reine Gegenstrom- oder eine Gleichstromführung wahlweise einstellbar ist. Die Austragsöffnung 17 für das Trockengut 16 aus der Trocknungseinrichtung 4 kann sich sowohl an einer der Eintrittsöffnung 14 des feuchten Materials 15 entgegenge­ setzten Seite 17 der Trocknungseinrichtung 4 befinden, als auch auf der gleichen Seite 18.
Die Trocknungsluft 13, die mittels der Ventilatoren 3 durch die Trock­ nungseinrichtung 4 gesaugt wird, wird nach Austritt 19 aus der Trock­ nungseinrichtung 4 als nahezu gesättigte feuchte Abluft 20 über Dach 21 an die Umgebung abgegeben. Wahlweise kann die Trocknungsluft 13 nach Austritt 19 aus der Trocknungseinrichtung 4 über die Rückschlagklappen 22 teilweise oder auch vollständig als Umluft 23 wieder der Trocknungs­ einrichtung 4 zugeführt werden. Vor jeder Verknüpfungsstelle 24 von Trocknungsluft 13 und Umluft 23 befindet sich im Trocknungsluftkanal 25 jeweils eine weitere Rückschlagklappe 26. Diese verhindert, daß Umluft 23 von der Trocknungseinrichtung 4 zurück zum Solar-Kollektorfeld 1 geleitet wird.
Des weiteren befindet sich nach jedem Ventilator 3 und vor jeder Ver­ knüpfungsstelle 27 für nahezu gesättigte feuchte Abluft eine weitere Rück­ schlagklappe 28. Diese verhindert, daß nahezu gesättigte feuchte Abluft 20, die über Dach 21 abgeleitet werden soll, in die Trocknungseinrichtung 4 zurückgeleitet wird.
Fig. 2 zeigt einen Solar-Luftkollektor 30, der für die solarthermische Er­ wärmung der Umgebungsluft 31 verwendet wird. Mehrere solcher Luftkol­ lektoren 30 werden miteinander verbunden und mehrere Reihen solcher Kollektoren werden parallel zueinander aufgestellt, so daß die Gesamtheit der Kollektoren ein Solar-Luftkollektorfeld darstellt. Die Solar-Luft­ kollektoren bestehen im wesentlichen aus einem Gehäuse 32, aus Absorber- Profilelementen (Kanälen) eines schwarz-beschichteten Rippenabsorbers aus Aluminium 33, die sich von einer Stirnseite 34 des Gehäuses zu dessen gegenüberliegender Stirnseite 35 erstrecken, aus innenliegenden Wärme­ dämmschichten 36, die die Absorber-Profilelemente 33 von der jeweiligen Seitenfläche 37 und von den beiden Mantelseiten 38 auf Abstand halten, sowie aus einer transparenten Abdeckung 39 zur Minimierung der Emis­ sionsverluste der Absorbereinheit.
Die Umgebungsluft 31 tritt jeweils an gleichen Enden dieser Kanäle in die Luftkanäle 40 der Absorber-Profilelemente 33 ein und wird durch diese Luftkanäle auf der strahlungsabgekehrten Seite gesaugt. Bei Sonnenein­ strahlung auf die Absorber-Profilelemente wird die Solarstrahlung absor­ biert, in thermische Energie umgewandelt und die dadurch gewonnene Wärmemenge an den kälteren Luftstrom zur strahlungsabgekehrten Seite hin übertragen. Die somit gewonnene Trocknungsluft 41 tritt an dem ge­ genüberliegenden Ende 42 des Lufteintritts aus und gleichzeitig, falls der zuletzt beschriebene Kollektor nicht den letzten innerhalb einer Reihe darstellt, in den nächsten Kollektor ein. Am Ende einer jeden Reihe wer­ den die Luftaustrittskanäle der einzelnen Reihen zu einem Sammelschacht zusammengeführt, der die Trocknungsluft 41 der Trocknungseinrichtung zuführt.
Die Trocknungseinrichtung kann in Modularbauweise erstellt werden, so daß bei steigender Menge an feuchtem Material eine einfache und prob­ lemlose Kapazitätserweiterung der Trocknungseinrichtung möglich ist.

Claims (17)

1. Vorrichtung zum Trocknen von feuchtem Material, das Feststoffe, Was­ ser und Zusatzstoffe enthält, insbesondere von Klärschlamm, wobei das Material durch eine Trocknungseinrichtung gefördert wird und wobei es während dieses Transportes von einem Trocknungs-Luftstrom durchströmt bzw. überströmt wird, dadurch gekennzeichnet daß ein Kollektorfeld (1) umfassend eine Mehrzahl von Solar-Luftkollektoren (30) vorgesehen ist, durch die die Trocknungsluft vor Eintritt in die Trocknungseinrichtung (4) geführt wird, so daß sie aufgrund der Sonneneinstrahlung erwärmt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ei­ ne Mehrzahl von Solarluft-Kollektoren (30) in Reihe geschaltet sind, und daß eine Mehrzahl derartiger Reihen parallel geschaltet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen der Trocknungsanlage vorgeordneten Temperaturmeßsensor für die Erfassung der Temperatur der Trocknungsluft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trock­ nungseinrichtung (4) wenigstens ein Saug-Gebläse (3) veränderbarer Lei­ stung nachgeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zweigleitung (7) mit einer Heizeinrichtung (8) dem Kollektorfeld nachge­ schaltet und der Trocknungseinrichtung (4) vorgeschaltet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz­ einrichtung (8) durch einen von Verbrennungsabgasen, Abwärme oder der­ gleichen beheizten Wärmetauscher gebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zweigleitung (7) vor dem Wärmetauscher (8) eine Rückschlagklappe (11) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückschlagklappe (10) in der Hauptleitung (6) zwischen Kollektorfeld und Verknüpfungsstelle (12) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trock­ nungseinrichtung (4) Rückschlagklappen (10) und Rückführleitungen für die Trocknungsluft (23) nachgeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Solar-Luftkollektor (30) eine Gehäuse (32) umfaßt, in welchem Absor­ ber-Profilelemente (33) unter Ausbildung von Luftkanälen (40) eines schwarz-beschichteten Rippenabsorbers (33) aus Aluminium angeordnet sind, die sich von einer Stirnseiten (34) des Gehäuses (32) zu dessen gegenüberliegenden Stirnseiten (35) erstrecken.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der einen Seitenfläche (37) und dem Rippenabsorber (33) wenigstens eine Wärmedämmschicht (36) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober­ seite des Solar-Luftkollektors (30) mit einer transparenten Abdeckung ver­ sehen ist.
13. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Umgebungsluft durch ein Feld von in Reihe und/oder parallel geschalteten Solar-Kollektoren (30) und an­ schließend durch die Trocknungseinrichtung (4) gesaugt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Tempe­ ratur der Trocknungsluft (41) beim Eintritt in die Trocknungseinrichtung (4) auf einen Bereich von 323 K bis 343 K eingeregelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die angesaugte Luft den obengenannten Temperaturbereich übersteigt, die Saugleistung der Gebläse und damit der Luftdurchsatz erhöht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die angesaugte Luft am Eingang der Trocknungseinrichtung (4) den Tempera­ turbereich unterschreitet, die Luft über eine Zweigleitung (7) mit einer Heizeinrichtung geleitet wird, so daß eine Einstellung auf den gewünsch­ ten Temperaturbereich erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trocknungsluft nach Austritt aus dem Auslaß (19) der Trocknungseinrichtung (4) über Rückschlagklappen (22) ganz oder teil­ weise als Umluft (23) wieder der Trocknungseinrichtung (4) zuführbar ist.
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