Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
DEVICE AND METHOD FOR CREATING A FINE-GRAINED FUEL FROM SOLID OR PASTE-LIKE RAW ENERGY MATERIALS BY MEANS OF TORREFACTION AND CRUSHING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/057822
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device and method for creating a fine-grained fuel from solid or paste-like raw energy materials by means of torrefaction, comprising an impact reactor having a rotor and impact elements which is temperature resistant up to 350 degrees Celsius, a feed device for hot circulation gas in the lower region of the impact reactor, a feed device for solid or paste-like raw energy materials in the head region of the impact reactor, at least one withdrawal device for a gas flow comprising comminuted and torrefacted raw energy particles and a separation and withdrawal device for crushed and torrefacted raw energy particles from the gas flow taken out of the impact reactor.

Inventors:
ABRAHAM RALF (DE)
HAMEL STEFAN (DE)
SCHAEFER RALF (DE)
Application Number:
PCT/EP2010/006955
Publication Date:
May 19, 2011
Filing Date:
November 16, 2010
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
UHDE GMBH (DE)
SCHAEFER ELEKTROTECHNIK UND SONDERMASCHINEN GMBH (DE)
ABRAHAM RALF (DE)
HAMEL STEFAN (DE)
SCHAEFER RALF (DE)
International Classes:
C10L5/44
Domestic Patent References:
WO2007078199A12007-07-12
WO2005056723A12005-06-23
Foreign References:
FR1105997A1955-12-09
US20080022595A12008-01-31
EP2189512A12010-05-26
DE102007062808A12008-07-17
US20100242351A12010-09-30
US20100083530A12010-04-08
DE19600482A11997-05-15
DE102005055620A12007-05-24
Other References:
KALTSCHMITT ET AL., ENERGIE AUS BIOMASSE, 2009, pages 703 - 709
Attorney, Agent or Firm:
UHDE GMBH (DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung eines feinkörnigen Brennstoffs aus festen oder pastösen Energierohstoffen durch Torrefizierung und Zerkleinerung, aufweisend

• einen Prallreaktor (5) mit einem Rotor (7) und Prallelementen, der Temperaturbeständig bis mindestens 350 Grad Celsius ist,

• mindestens eine Zuführungsvorrichtung für heißes Torrefizierungsgas (8, 8a, 8b) im unteren Bereich des Prallreaktors (5),

• mindestens eine Zuführungsvorrichtung (3, 4) für feste oder pastöse Energierohstoffe im Kopfbereich des Prallreaktors (5),

• mindestens eine Abzugsvorrichtung für einen zerkleinerte und torrefizierte Energierohstoffpartikel enthaltenden Gasstrom (9), sowie

• eine Abscheide- und Abzugsvorrichtung (10) für zerkleinerte und torrefizierte

Energierohstoffpartikel (11) aus dem Gasstrom (9), der aus dem Prallreaktor (5) abgezogen wird.

Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Torrefizierungsgas (8, 8a, 8b) im Bereich einer Labyrinthdichtung (33) und/oder durch eine Labyrinthdichtung hindurch in den Prallreaktor (5) eingebracht wird, die im Bereich der Rotorwelle des Prallreaktors (5) angeordnet ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Abscheide- und Abzugsvorrichtung für zerkleinerte und torrefizierte Energierohstoffpartikel Abweiseradsichter vorgesehen werden.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Kreislaufschaltung mit einem Gaskreislauf, enthaltend zusätzlich

• mindestens eine Nachverbrennungseinrichtung (19, 31) für den an zerkleinerten und torrefizierten Energierohstoffpartikeln abgereicherten und aus der Abscheidevorrichtung erhaltenen Gasstrom (15),

• mindestens einer Zugabevorrichtung von Stickstoff (25) in den Kreislaufgasstrom,

• mindestens einer Druckerhöhungsvorrichtung (18, 26, 29) im Kreislaufgasstrom,

• mindestens eine Vorrichtung zur Einkopplung der aus dem Rauchgas erhaltenen Abwärme in den Kreislaufgasstrom.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzweigung für einen Kreislaufgasstrom und einen Restgasstrom nach der Abscheide- und Abzugsvorrichtung (10) für zerkleinerte und torrefizierte Biomassepartikel aus dem aus dem Prallreaktor abgezogenen Gasstrom (15) vorgesehen wird und dass nach der Abzweigung (28) für den Kreislaufstrom ein Aufheizbrenner (31) im Kreislaufstrom angeordnet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufheizbrenner im Hauptstrom des Kreislaufstroms angeordnet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufheizbrenner im Nebenstrom des Kreislaufstroms angeordnet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Abscheide- und Abzugsvorrichtung für zerkleinerte und getrocknete Energierohstoffpartikel Seitensiebe vorgesehen werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Zuführungsvorrichtung für heißes Torrefizierungsgas im unteren Bereich des Prallreaktors (5) über den Umfang verteilte Bohrungen vorgesehen werden.

10 Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen in radialer Richtung geneigt ausgeführt werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen tangential zur Umlaufrichtung der Prallelemente ausgerichtet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Zuführungsvorrichtung für heißes Torrefizierungsgas im unteren Bereich des Prallreaktors über den Umfang verteilte schlitzförmige Öffnungen vorgesehen werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze eine radiale Neigung aufweisen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze durch überlappende Montage von Bodenplatten gebildet werden.

15. Verfahren zur Erzeugung eines feinkörnigen Brennstoffs aus festen oder pastösen Energierohstoffen durch Torrefizierung unter Einsatz eines Prallreaktors (5) mit einem Rotor (7) und Prallelementen, wobei

• feste oder pastöse Energierohstoffe dem Prallreaktor (5) im Kopfbereich des Prallreaktors (5) zugeführt werden, • heißes Torrefizierungsgas (8, 8a, 8b) im Bodenbereich des Prallreaktors (5) zugeführt wird,

• die Energierohstoffe im Prallreaktor zerkleinert, getrocknet und torrefiziert werden, und

• zerkleinerte und torrefizierte Energierohstoffpartikel in einem sie enthaltenden Gasstrom aus dem Prallreaktor in einen Partikelabscheider (10) geführt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreislaufbetrieb vorgesehen wird, wobei

• wenigstens ein Teil des Gasstroms, der aus dem Partikelabscheider (10) erhalten wird, einer Nachverbrennungseinrichtung (19) unterzogen wird, wobei die Energie des erhaltenen Rauchgases direkt oder indirekt zur Aufheizung des Kreislaufgasstroms genutzt wird,

• dem Kreislaufgasstrom Stickstoff (25) zugegeben wird,

• der Druckverlust im Kreislaufgasstrom ausgeglichen wird, und

• der erhitzte Kreislaufstrom wieder in den Bodenbereich des Prallreaktors zurückgeführt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislaufstrom zusätzlich im Nebenstrom oder im Hauptstrom aufgeheizt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Partikelabscheider abgezogene staubhaltige Gas ( 5) in einen Kreislaufgasstrom und einen Restgasstrom verzweigt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Torrefizierungsgases zusammen mit den Energierohstoffen durch dessen Zuführungsvorrichtung in den Reaktor geführt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsvorrichtung für den Energierohstoff in den Reaktor indirekt beheizt wird.

21. Verwendung eines nach einem Verfahren der Ansprüche 15 bis 20 hergestellten

Brennstoffs in einer Flugstromvergasung.

22. Verwendung eines nach einem Verfahren der Ansprüche 15 bis 20 hergestellten

Brennstoffs in einer Flugstromverbrennung.

23. Verwendung eines nach einem Verfahren der Ansprüche 15 bis 20 hergestellten

Brennstoffs in einer Wirbelschichtvergasung. Verwendung eines nach einem Verfahren der Ansprüche 15 bis 20 hergestellten Brennstoffs in einer Wirbelschichtverbrennung.

Description:
VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG EINES FEINKÖRNIGEN BRENNSTOFFS AUS FESTEN ODER PASTÖSEN ENERGIEROHSTOFFEN DURCH TORREFI- ZIERUNG UND ZERKLEINERUNG

[0001] Die Erfindung betrifft die thermische Vorbehandlung, auch als Torrefizierung bezeichnet, von kohlen- und wasserstoffhaltigen festen Brennstoffen, die auch in pastöser oder zähfließender Form vorliegen können und im folgenden als feste oder pastöse Energierohstoffe bezeichnet werden, wozu zum Beispiel biogene und andere hochreaktive Brennstoffe, fossile Brennstoffe und Reststoffe zählen, in einem Prallreaktor. Als pastös werden hierbei alle Stoffe verstanden, in denen Feststoffe und flüssige Anteile miteinander vermengt sind, Beispiele hierfür sind Klärschlämme und Industrierückstände, entweder auf wässriger Basis oder auf der Basis von Lösungsmitteln oder energiehaltigen Flüssigkeiten, etwa Öl- und Schmierstoffen. Der Ausbau der Nutzung von regenerativen Energieträgern und die Verwertung von Abfällen und Reststoffen wird weltweit angestrebt, wobei eine energetisch auch stofflich besonders effektive Nutzung mit thermischer Vergasung möglich ist. Besonders vorteilhaft ist dabei die Flugstromvergasung, wobei Anlagen zur Flugstromvergasung üblicherweise sehr große Leistungen aufweisen und auch mit Kohle betrieben werden. Ebenfalls ermöglicht die Erfindung den Einsatz von Problemstoffen in Flugstromverbrennungsanlagen bzw. Kesselanlagen, Problemstoffe in diesem Sinne sind zum Beispiel die faser- und holzartigen Bestandteile in meist jüngeren Kohlen, die als noch erkennbare Rückstände von Pflanzen gefunden werden.

[0002] Um feste Brennstoffe im Flugstromvergaser einsetzen zu können, müssen sie auf eine geeignete Partikelgröße zerkleinert werden, außerdem ist eine Reduzierung des Feuchtegehalts vorteilhaft. Bei Energierohstoffen wie Biomassen, biogenen Reststoffen und Abfällen sind aufgrund der oftmals zähen und faserigen Struktur solche Vorbehandlungen nach herkömmlichem Stand der Technik nur unter hohem Energie- und Apparateaufwand zu erreichen. So ist bekannt, dass durch eine thermische Behandlung der Biomasse bei milden Pyrolysebedingungen, d.h. einer Torrefizierung, die Zellstrukturen derart geschwächt werden, dass der mechanische Aufwand für eine nachfolgende Zerkleinerung stark reduziert wird.

[0003] Unter Torrefizierung wird eine milde thermische Behandlung von Festbrennstoffen unter Sauerstoffabschluss bei Temperaturen von 220 bis 350 °C verstanden, wobei in der vorliegenden Erfindung auch geringe Sauerstoffgehalte zulässig sind. Die notwendige Verweilzeit, um eine vollständige Torrefizierung des Einsatzstoffes zu erreichen, liegt im Bereich 15 bis 120 Minuten. Die Verweilzeit wird bestimmt durch die Partikelgröße des Einsatzstoffes und der Wärmeübertragungscharakteristik des angewendeten Verfahrens. Während

BESTÄTIGUNGSKOPIE der Aufheizung des Einsatzstoffes durchläuft dieser zunächst den Trocknungsschritt. Mit weiterer Aufheizung, hier am Beispiel von Holz, werden bis ca. 200-220°C neben dem Wasserdampf zunächst Kohlendioxid, und organische Säuren wie z.B. Essigsäure und Ameisensäure freigesetzt. Bei weiterer Aufheizung bis ca. 280-350°C werden weiterhin überwiegend Kohlendioxid und organische Säuren freigesetzt, zusätzlich aufgrund der einsetzenden pyrolytischen Zersetzung wird mit zunehmender Temperatur in zunehmendem Maße auch Koh- lenmonoxid freigesetzt.

[0004] Wird die Temperatur über den erfindungsrelevanten Temperaturbereich weiter gesteigert, so steigen jenseits der 350-400°C (abhängig von der Biomasse) die pyrolytischen Zersetzungsreaktionen der Markomoleküle stark an. Die Menge der freigesetzten Gase steigt an, allerdings erreichen die freigesetzten höheren Kohlenwasserstoffe z.B. für Buchenholz bei etwa 480-500°C, ein Maximum. Hier werden z.B. aus Buchenholz etwa 70 Gew.-% der wasser- und aschefreien Brennstoffsubstanz als höhere, kondensierbare Kohlenwasserstoffe, auch zusammenfassend als Teere bezeichnet, freigesetzt. Etwa 15 Gew.-% werden als Gas freigesetzt und rund 15 Gew.-% verbleiben als fester Rückstand, sogenannter Koks.

[0005] Viele biogene Rohstoffe enthalten außer Kohlen- und Wasserstoff auch erhebliche Mengen Sauerstoff und weitere Elemente jeweils in gebundener Form. Während einer Flugstromvergasung, die unter reduzierender, sauerstoffarmer Atmosphäre zur Gewinnung von Synthesegas durchgeführt wird, werden die Sauerstoffverbindungen aus dem Brennstoff freigesetzt, was zu erhöhtem Anteil von erzeugtem Kohlendioxid gegenüber dem gewünschten Kohlenmonoxid im Synthesegas führt, ferner zu Wasserdampf statt Wasserstoff. Man möchte daher den molekularen Anteil der Sauerstoffverbindungen im eingesetzten biogenen Rohstoff möglichst schon während der Vorbehandlung verringern, und durch diese Sauer- stoffabreicherung eine Brennstoffaufwertung erreichen, um damit die Qualität des zu erzeugenden Synthesegases zu verbessern.

[0006] Zur Torrefizierung von Biomassen sind verschiedene Verfahren im Stand der Technik bekannt. Eine prinzipielle Übersicht zu der grundsätzlichen Vorgehensweise dazu gibt z.B. Kaltschmitt et al., "Energie aus Biomasse", ISBN 978-3-540-85094-6, 2009, Seiten 703-709. Demnach werden verschiedene Grundreaktortypen zur Biomassetorrefizierung eingesetzt, wie Festbett bzw. Wanderbettreaktor, Trommelreaktor, Scheibenreaktor und Schnecken- oder Paddelreaktoren. Ein Wanderbettreaktor wird beispielsweise auch in der WO 2007/078199 A1 vorgeschlagen. Die Schaltungsvariante eines Verfahrens zur Torrefizierung wird beispielsweise in der WO 2005/056723 A1 vorgestellt.

[0007] Allen diesen genannten Verfahren ist gemeinsam, dass sie die thermische Behandlung von Biomassen zum Ziel haben. Die anschließende Aufbereitung der torrefizierten Biomasse, also die Zerkleinerung, ist nicht vorgesehen und muss in einem nachfolgenden Schritt erfolgen. Die Zerkleinerung oder Mahlung erfordert also in den oben genannten Beispielen aus dem Stand der Technik zwingend eine weitere Prozessstufe und damit weitere Aggregate.

[0008] Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine apparativ vereinfachte Vorrichtung und ein energiesparenderes Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem die Torrefizierung und Zerkleinerung in einem Schritt erfolgen kann, wobei die festen oder pastösen Energierohstoffe so vorbehandelt werden, dass sie für eine Flugstromvergasung ohne weitere Maßnahmen einsatzfähig ist.

[0009] Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung, enthaltend

• einen Prallreaktor mit einem Rotor und Prallelementen, der Temperatur-beständig bis 350 Grad Celsius ist,

• eine Zuführungsvorrichtung für heißes Torrefizierungsgas im unteren Bereich des Prallreaktors,

• eine Zuführungsvorrichtung für feste oder pastöse Energierohstoffe im Kopfbereich des Prallreaktors,

• mindestens eine Abzugsvorrichtung für einen zerkleinerte und torrefizierte Energie- rohstoffpartikel enthaltenden Gasstrom, und

• eine Abscheide- und Abzugsvorrichtung für zerkleinerte und torrefizierte Energierohstoffpartikel aus dem Gasstrom, der aus dem Prallreaktor abgezogen wird.

[0010] In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Torrefizierungsgas im Bereich einer Labyrinthdichtung und/oder durch eine Labyrinthdichtung hindurch in den Prallreaktor eingebracht, die im Bereich der Rotorwelle des Prallreaktors angeordnet ist, und über die der Innenraum des Prallreaktors strömungsmäßig von der Außenumgebung getrennt wird. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine besonders effiziente Verteilung des Torrefizierungsgases innerhalb des Prallreaktors sowie auch ein vom Boden des Reaktors nach oben gerichteter Produktstrom, in welchem die torrefizierten Partikel in Aufwärtsrichtung transportiert werden.

[0011] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden als Abscheide- und Abzugsvorrichtung für zerkleinerte und torrefizierte Energierohstoffpartikel Abweiseradsichter vorgesehen.

[0012] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner eine Kreislaufschaltung vorgesehen, der Gaskreislauf enthaltend zusätzlich • eine Nachverbrennungseinrichtung für den an zerkleinerten und torrefizierten Energierohstoffpartikel abgereicherten und aus der Abscheidevorrichtung erhaltenen Gasstrom, mit einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung des erhaltenen Rauchgases,

• einer Zugabevorrichtung von Stickstoff in den Kreislaufgasstrom,

• einer Druckerhöhungsvorrichtung im Kreislaufgasstrom, und

• eine Vorrichtung zur Einkopplung der aus dem Rauchgas erhaltenen Abwärme in den Kreislaufgasstrom.

Für die Zuführung im Bodenbereich oder an einer verfahrenstechnisch geeigneten Stelle des Prallreaktors bildet hierbei der Kreislaufgasstrom auch den Torrefizierungsgasstrom, der die erforderliche Wärme transportiert.

[0013] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, eine Abzweigung für einen Kreislaufgasstrom und einen Restgasstrom nach der Abscheide- und Abzugsvorrichtung für zerkleinerte und torrefizierte Energierohstoffpartikel aus dem aus dem Prallreaktor abgezogenen Gasstrom vorzusehen nach der Abzweigung für den Kreislaufstrom einen Aufheizbrenner im Kreislaufstrom anzuordnen. Dieser Aufheizbrenner kann sowohl im Nebenstrom als auch im Hauptstrom des Kreislaufgases angeordnet werden.

[0014] Ein geeigneter Prallreaktor wird beispielsweise in der OS DE 196 00 482 A1 beschrieben. Dieser Apparat ist überraschenderweise in der Lage, Biomasse, wie z.B. Stroh oder Grünabfälle, in der gleichen Weise wie die dort beschriebenen Kunststofffraktionen zu behandeln. Zur Verbesserung der Wirkungsweise können auch Vorrichtungen, wie in der Anmeldeschrift DE 10 2005 055 620 A1 beschrieben, sinnvoll zum Einsatz kommen.

[0015] Eine weitere Aufgabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft den Abzug von torrefiziertem Material, wobei verschiedene Fraktionen unterschiedlicher Korngrößen aus dem Prallreaktor abgezogen werden können sollen. Die Erfindung löst die Aufgabe, indem als Abscheide- und Abzugsvorrichtung für zerkleinerte und getrocknete Energierohstoffpartikel Seitensiebe vorgesehen werden. Durch unterschiedliche Gestaltung und Maschenweiten lassen sich auf diese Weise verschiedene Kornfraktionen abscheiden.

[0016] Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung betreffen die Zuführung des Torrefizierungsgases im unteren Bereich des Torrefizierungsreaktors. Hierbei besteht die Aufgabe der Erfindung, auch größere Mengen an Torrefizierungsgas in den Prallreaktor einbringen zu können.

[0017] Die Erfindung löst die Aufgabe, indem als Zuführungsvorrichtung für heißes Torrefizierungsgas im unteren Bereich des Prallreaktors über den Umfang verteilte Bohrungen vorgesehen werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass die Bohrungen in radialer Richtung geneigt ausgeführt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die Bohrungen tangential zur Umlaufrichtung der Prallelemente ausgerichtet sind. Dabei kann die Auslassrichtung der Bohrungen mit oder entgegen der Drehrichtung des Rotors des Prallreaktors ausgerichtet sein. Die verfahrenstechnisch günstigere Lösung hängt vom Zusammenwirken der Eigenschaften des zu zerkleinernden Guts und den geometrischen Gestaltungen des Rotors und der Prallelemente und der Betriebsweise des Rotors, also z.B. der Drehzahl und des daraus resultierenden Einflusses auf die lokalen Strömungsvorgänge, ab.

[0018] Alternativ löst die Erfindung die Aufgabe, indem als Zuführungsvorrichtung für heißes Torrefizierungsgas im unteren Bereich des Prallreaktors über den Umfang verteilte schlitzförmige Öffnungen vorgesehen werden. Hierbei können auch die Schlitze eine radiale Neigung aufweisen.

[0019] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Schlitze durch überlappende Montage von Bodenplatten gebildet.

[0020] Alle Zuführungsarten für Torrefizierungsgas können auch additiv verwendet werden. Es ist also möglich, Torrefizierungsgas sowohl über die beschriebene Labyrinthdichtung, als auch über die Zuführungsvorrichtung für Energierohstoffe, als auch über Bohrungen und Schlitze im Bodenbereich des Prallreaktors in den Praüreaktor einzuführen und damit auf unterschiedlichste Rohstoffe verfahrenstechnisch zu reagieren, was ein Vorteil der Erfindung ist.

[0021] Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zur Erzeugung eines feinkörnigen Brennstoffs aus festen oder pastösen Energierohstoffen durch Torrefizierung und Zerkleinerung unter Einsatz eines Prallreaktors mit einem Rotor und Prallelementen gelöst, wobei

• feste oder pastöse Energierohstoffe einem Prallreaktor im Kopfbereich des Prallreaktors bei 190 bis 350 Grad Celsuis zugeführt wird,

• heißes Torrefizierungsgas im Bodenbereich des Prallreaktors zugeführt wird,

• die festen oder pastösen Energierohstoffe im Prallreaktor zerkleinert, getrocknet und torrefiziert werden, und

• zerkleinerte und torrefizierte Energierohstoffpartikel in einem sie enthaltenden Gasstrom aus dem Prallreaktor in einen Partikelabscheider geführt werden.

[0022] In der vorliegenden Erfindung wird die thermische Behandlung im typischen Temperaturbereich der Torrefizierung vorgesehen, also von 190-350°C. Die hat zum Einen zur Folge, dass die Masse etwa um 30% abnimmt, der Energieinhalt aber nur um etwa 10%, wodurch sich ein spezifisch erheblich höherer Heizwert einstellt. Zum anderen ändert sich durch die Torrefizierung die Biomassestruktur von faserartig zu spröde, wodurch die benötigte Energie zur Zerkleinerung stark reduziert wird. Je nach Torrefizierungsgrad und Biomasseart kann der Energieaufwand zur Zerkleinerung um 50% bis zu 85% reduziert werden, siehe Kaltschmitt et al.: "Energie aus Biomasse", ISBN 978-3-540-85094-6, 2009, Seiten 703- 709.

[0022] Dadurch, dass in der vorliegenden Erfindung die Torrefizierung und die Zerkleinerung gleichzeitig erfolgen, entstehen Synergieeffekte, wovon beide Vorgänge Vorteile erhalten. Im Stand der Technik erfolgt die Torrefizierung in einem eigenen Reaktor, d.h. die Partikel benötigen entsprechend ihrer Größe und dem reaktorabhängigen Wärmeübergangsverhalten eine bestimmte Verweilzeit, um vollständig und durchgehend torrefiziert zu werden. Bei konstanter Reaktortemperatur kann diese Verweilzeit im Reaktor nur durch eine Verkleinerung der Partikelgröße erreicht werden, die vor Eintrag durchgeführt werden muss. Anschließend werden die torrefizierten Partikel auf eine Zielgröße zerkleinert.

[0023] Durch die simultane Behandlung in der Erfindung findet nach Eintrag der groben Partikel eine schnelle Trocknung statt und durch die weitere Partikelaufheizung findet, von außen nach innen, eine entsprechende Torrefizierung ebenfalls vom Partikeläußeren zum Partikelinneren statt. Während in den bekannten Verfahren nach Stand der Technik die Partikelgröße während der Torrefizierung erhalten bleibt, findet hier gleichzeitig eine Zerkleinerung durch den Pralleffekt statt. Dabei werden bei Kontakt mit den Prallelementen vorzugsweise die bereits torrefizierten äußeren Partikelschichten aufgrund dessen spröder Materialeigenschaften abgeschlagen. Der verbleibende, noch nicht vollständig torrefizierte Partikelkern wird dadurch wieder freigelegt und ist wieder dem vollen Wärmeübertragung bei gleichzeitig verringerter Größe ausgesetzt. Durch die kontinuierliche Zerkleinerung und mechanische Abtragung der torrefizierten Schichten wird die Gesamt-Torrefizierungszeit eines Ein- zelpartikels deutlich reduziert. Gleichzeitig wird der mechanische Aufwand der Zerkleinerung reduziert, da sich die bereits torrefizierten und damit spröden Teile der Partikel erheblich effektiver zerkleinern lassen.

[0024] Durch die Erfindung wird einerseits der apparative Aufwand der üblichen Behandlungskette deutlich verringert und gleichzeitig der benötigte spezifische Zeitbedarf ebenfalls reduziert.

[0025] In Ausgestaltungen des Verfahrens wird auch der Kreislaufbetrieb vorgesehen, wobei

• wenigstens ein Teil des Gasstroms, der aus dem Partikelabscheider erhalten wird, einer Nachverbrennungseinrichtung unterzogen wird, wobei die Energie des erhalte- nen Rauchgases direkt oder indirekt zur Aufheizung des Kreislaufgasstroms genutzt wird,

• dem Kreislaufgasstrom Stickstoff zugegeben wird,

• der Druckverlust im Kreislaufgasstrom ausgeglichen wird, und

• der erhitzte Kreislaufgasstrom wieder in den unteren Bereich des Prallreaktors zurückgeführt wird.

[0026] In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird vorgesehen, dass das aus dem Partikelabscheider abgezogene staubhaltige Gas in einen Kreislaufgasstrom und einen Restgasstrom verzweigt wird und der Kreislaufstrom zusätzlich im Nebenstrom oder im Hauptstrom oder in beiden aufgeheizt wird.

[0027] In einer weiter verbesserten Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass mindestens ein Teil des Torrefizierungsgases zusammen mit den Energierohstoffen durch dessen Zuführungsvorrichtung in den Reaktor geführt wird. Hierbei ist darauf zu achten, dass das Torrefizierungsgas ausreichend kühl in die Zuführungsvorrichtung eingeleitet wird. Durch die Einleitung des Torrefizierungsgases wird eine Antrocknung der äußeren Oberfläche der Energierohstoffe, insbesondere im Falle fester Energierohstoffe, bewirkt, was zu einer verbesserten Förderbarkeit führt und die Verklebungsneigung erheblich verringert. Die Durchleitung des Torrefizierungsgases kann sowohl im Gegenstrom als auch im Gleichstrom erfolgen.

[0028] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass die Zuführungsvorrichtung indirekt beheizt wird. Aufgrund der Trocknungswirkung kühlt sich das Torrefizierungsgas während des Durchtritts durch die Zuführungsvorrichtung ab. Die Beheizung wirkt dieser Abkühlung entgegen. Zur Beheizung kann auch das heiße Torrefizierungsgas benutzt werden, welches sich dabei selbst abkühlt und anschließend durch die Zuführungsvorrichtung hindurchgeführt wird.

[0029] Falls vorgesehen wird, die Energierohstoffe zunächst mit einer Förderschnecke aus dem Silo auszutragen und die Dosierung in den Prallreaktor mit einer Zellenradschleuse vorzunehmen, wäre im vorliegenden Fall diese Reihenfolge umzudrehen. Dadurch wird verhindert, dass durch die Fördereinrichtung hindurchgeleitetes Torrefizierungsgas in das Silo zurückströmen kann. Über die Förderschnecke, die zum Prallreaktor offen ist, kann das Torrefizierungsgas ungehindert in den Prallreaktor eingeleitet werden. Vorteilhaft ist hierbei, wenn die Energierohstoffe und das Torrefizierungsgas im Gleichstrom durch die Förderschnecke geleitet werden. [0030] Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der so vorbehandelten festen Energierohstoffe in einer Flugstromvergasung, in einer Flugstromverbrennung, in einer Wirbelschichtvergasung und in einer Wirbelschichtverbrennung.

[0031] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 5 Verfahrensskizzen mit Kreislauffahrweise näher erläutert, wobei beispielhaft Biomasse torrefiziert wird. Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren mit indirekter Zusatzaufheizung des Kreislaufgases, Fig. 2 und 3 sehen eine Verzweigung vor, in Fig. 4 wird ein Verfahren mit direkter Zusatzheizung ohne Verzweigung gezeigt. In Fig. 5 wird die erfindungssgemäße Labyrinthdichtung dargestellt.

[0032] Aus dem Vorlagebehälter 1 wird die Biomasse 2 über die Förderschnecke 3 und die Zellenradschleuse 4 in den Prallreaktor 5 gefördert. Dort wird sie mittels des Rotors 7 zerkleinert. Im Bodenbereich des Prallreaktors 5 wird Torrefizierungsgas in Form von heißem Kreislaufgas 8a und 8b zugeführt. Die zerkleinerten, getrockneten und torrefizierten Partikel 11 werden über einen Sichter 6, der bevorzugt ein motorbetriebener Rotationssichter ist, mit dem Gasstrom 9 aus dem Prallreaktor 5 abgezogen und in den Partikelabscheider 10, hier als Zentrifugalabscheider dargestellt, geführt.

[0033] Hierbei ist es vorteilhaft, dass durch den Einsatz des Sichters 6 die Größe der mit dem Gasstrom 9 austretenden Partikel eingestellt werden kann. Es kann auch vorteilhaft sein, auf den motorbetriebenen Rotationssichter zu verzichten und Siebe oder Lochbleche einzusetzen, durch die die Partikelgröße der im Gasstrom 9 enthaltenen Feststoffanteile beeinflußt werden kann.

[0034] Je nach gewünschter Verwendung des vorbehandelten Brennstoffes wird die Zielpartikelgröße der torrefizierten Partikel 11 von verschiedenen Anforderungen der Verga- sungs- oder Verbrennungsanlage definiert. Dies sind z.B. Anforderungen an das Zusammenspiel Reaktivität und Partikelgröße, an die Fördereigenschaften oder weitere, somit kann für verschiedene Einsatzstoffe eine unterschiedliche Partikelgröße oder Partikelgrößenverteilung vorteilhaft sein. Daher sind auch unterschiedliche Methoden zur Vorabscheidung wie Sichter oder Siebe sinnvoll. Je nach gewünschter Partikelgröße kann als Partikelabscheider 10 auch ein Massenkraftabscheider oder auch ein filternder Abscheider sinnvoll zum Einsatz kommen.

[0035] Im Partikelabscheider 10 werden die torrefizierten Partikel 11 abgeschieden und mittels der Zellenradschleuse 12 ausgeschleust, danach werden sie mit der Förderschnecke 13 in den Vorlagebehälter 14 gegeben.

[0036] Das Kreislaufgas 15, welches aus dem Zentrifugalabscheider 10 erhalten wird, enthält nur geringe Mengen von Staub und zusätzlich die Gaskomponenten, die während der Torrefizierung des Einsatzstoffes freigesetzt wurden, welche nachverbrannt werden müssen. Nach der Verzweigung 16 wird ein Restgasstrom 17 mittels des Gebläses 18 in den Brenner 19 geleitet, wo das Restgas zusammen mit Luft 20 und Brenngas 21 nachverbrannt wird. Das heiße Rauchgas überträgt im Wärmetauscher 22 seine Energie an das Kreislaufgas 27 und kann danach in die Atmosphäre 23 abgeleitet werden.

[0037] Dem Kreislaufgas 24 wird Stickstoff 25 in etwa der Menge zugegeben, die an Restgas 17 ausgeschleust wird, wobei ein Sauerstoffgehalt von maximal 8 % am Eintritt des Prallreaktors eingeregelt wird. Der Druckverlust wird im Kreisgasverdichter 26 ausgeglichen, das Kreislaufgas 27 wird im Wärmetauscher erhitzt und als heißes Kreislaufgas 8 wieder dem Prallreaktor zugeführt. Dabei sind die Zuführungsvorrichtungen beispielhaft so angeordnet, dass das heiße Kreislaufgas 8 im Bereich der Labyrinthdichtung 33 zugeführt wird und gleichzeitig die Labyrinthdichtung 33 selbst durchströmt wird.

[0038] In Fig. 2 wird aus dem Kreislaufgas 16 ein Nebenstrom 28 abgezweigt, der von einem Unterstützungsgebläse 29 zum mit Luft 30 betriebenen Zusatzbrenner 31 gefördert und erhitzt wird. Das heiße Gas 32 wird dem Kreislaufgas 8 wieder zugemischt.

[0039] In Fig. 3 wird gegenüber Fig. 1 der Wärmetauscher 22 eingespart, indem das Rauchgas 33 in das Kreislaufgas 27 direkt zurückgespeist wird, nachdem ein Teil davon zur Atmosphäre 23 ausgeschleust worden ist.

[0040] In Fig. 4 wird der Brenner 19 direkt im Kreislaufgas 27 angeordnet. Diese Verfahrensvariante ist beispielsweise dann vorzuziehen, wenn die aus der Torrefizierung freigesetzten Gaskomponenten eine nennenswerte Menge und Heizwert beitragen.

[0041] Das Verfahren zur thermischen Vorbehandlung von kohlen- und wasserstoffhalti- gen festen Brennstoffen kann erfindungsgemäß auch ohne Kreislauf durchgeführt werden. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn eine Integration in eine vorhandene Anlagen- infrastuktur vorgesehen ist. Wird beispielsweise die Co-Vergasung von Biomasse und Kohle in einem Flugstromvergaser angestrebt, so kann eine Kopplung in der Art erfolgen, dass der austretende Gasstrom 15 der Vergasung, hier z.B. dem Aufheizbrenner der Kohlenmahlanlage, zugeführt wird. Gleichzeitig kann der zuzuführende, vorgeheizte Gasstrom 8a, 8b ebenfalls aus der Vergasungsanlage zur Verfügung gestellt werden. Dies kann beispielsweise ein Teilstrom aus dem aufgeheizten Mühlenkreislaufgas der Kohlenmahlanlage sein oder beispielsweise aus einem innerhalb der Vergasungsanlage vorgewärmte Inertgasstrom bestehen.

[0042] Die erhaltenen torrefizierten Partikel 11 können über den Vorlagebehälter 14 zur Co-Vergasung entweder in den Kohlenstaubstrom eingegeben werden oder mit der Rohkohle zusammen in die Kohlenmahlanlage gegeben werden, was im Wesentlichen vom Grad der Zerkleinerung abhängt, die im Prallreaktor 5 eingestellt wurde. [0043] Die beschriebene Kopplung mit der Vergasungsanlage ist nur beispielhaft und kann auf vielfältige andere Weisen erfolgen, da innerhalb einer komplexen Vergasung mit vorgelagerter Kohlenmahlanlage eine Vielzahl von Teil- und Hilfströmen vorhanden sind sowie eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Wärmeauskopplung bestehen.

[0044] In der gleichen Weise kann auch eine Kopplung mit einem Kraftwerksprozess mit einer Verbrennungsanlage vorgenommen werden, wobei die erhaltenen torrefizierten Partikel 11 über den Vorlagebehälter 14 in einem solchen Fall zur Co-Verbrennung geführt werden.

[0045] Weiterhin ist in Fig. 5 eine ausschnittsweise Detailansicht des Prallreaktors 5 im Bereich der Rotorwelle 34 dargestellt, über welche der Rotor 7 durch einen nicht näher gezeigten Motor angetrieben wird. Wie der Darstellung von Fig. 5 hierbei entnommen werden kann, befindet sich am stirnseitigen Ende der Rotorwelle 34 eine Rotoraufnahme 35, in deren Unterseite eine umlaufende Vertiefung oder Nut 36 eingebracht ist, die beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt besitzt. In die umlaufende Vertiefung 36 hinein erstreckt sich von unten her ein umlaufender Vorsprung 37, der bevorzugt an der Bodenplatte 38 des Prallreaktors 5 angeordnet ist. Der Vorsprung 37 besitzt eine Breite, die kleiner als die Breite der Vertiefung 36 ist, und erstreckt sich mit seiner Oberseite nicht vollständig bis an den Grund der Vertiefung heran, so dass zwischen der Außenfläche des Vorsprungs 37 und der Innenfläche der Vertiefung 36 eine Labyrinthdichtung 33 mit einem Labyrinthgang 33a entsteht, durch den hindurch das Torrefizierungsgas oder auch ein anderes Gas in den Innenraum des Prallreaktors 5 eingebracht wird. Der Labyrinthgang kann beispielsweise eine Breite im Bereich von 2 mm bis zu 20 mm besitzen.

[0046] Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann die Labyrinthdichtung 33 zur Verbesserung der Dichtwirkung in radialer Richtung betrachtet auch zwei oder mehr Vorsprünge 37 aufweisen, die sich in zugehörige Vertiefungen 36 hinein erstrecken, welche von ihrer Form her der Form der Vorsprünge angepasst sind.

[0047] Die Zufuhr des Torrefizierungsgases 8a, 8b erfolgt bevorzugt durch ein oder auch mehrere unterhalb der Bodenplatte 38 in der Wellenführung 39 angeordnete Bohrungen 40 hindurch entlang des durch die Pfeile 42 angedeuteten Zufuhrweges. Dieser verläuft zuerst in Richtung auf die Rotorwelle 34, d.h. das Drehzentrum des Rotors 7 zu, dann im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle bzw. Drehachse des Rotors 7 in Aufwärtsrichtung und anschließend oberhalb der Bodenplatte 38 wieder in entgegen gesetzter Richtung durch den Labyrinthgang 33a hindurch radial nach außen vom Drehzentrum des Prallreaktors 5 weg, wodurch sich eine besonders effiziente Abdichtung sowie auch Verteilung des Torrefizierungsgases im Reaktorinnenraum ergibt. Diese kann durch den Einsatz von einer oder mehrerer, dem Labyrinthgang 33a strömungsmäßig nachgeordneter Schleuderleisten 41 zusätzlich noch verbessert werden.

Bezugszeichenliste

Vorlagebehälter 23 Atmosphäre

Biomasse 24 Kreislaufgas

Förderschnecke 25 Stickstoff

Zellenradschleuse 26 Kreisgasverdichter

Prallreaktor 27 Kreislaufgas

Sichter 28 Nebenstrom

Rotor 29 Unterstützungsgebläse heißes Kreislaufgas/ 30 Luft

Torrefizierungsgas 31 Zusatzbrenner

Gasstrom 32 heißes Gas

Partikelabscheider 33 Labyrinthdichtung torrefizierte Partikel 33a Labyrinthgang

Zellenradschleuse 34 Rotorwelle

Förderschnecke 35 Rotoraufnahme

Vorlagebehälter 36 Vertiefung

Kreislaufgas 37 Vorsprung

Kreislaufgas 38 Bodenplatte

Restgas 39 Wellenführung

Gebläse 40 Bohrung

Brenner 41 Schleuderleiste

Luft 42 Pfeile

Brenngas M Motor

Wärmetauscher