Anlage zur solaren Trocknung von Substrat

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur solaren Trocknung von Substrat, insbesondere von Klärschlamm, die eine mit solarer Energie beaufschlagbare Trocknungsfläche, auf die das zu trocknende Substrat aufbringbar ist, und eine Heizeinrichtung zur Beheizung des zu trocknenden Substrats aufweist, wobei die Heizeinrichtung mindestens ein Rohr besitzt, durch das ein Heizmedium leitbar ist, sowie ein Verfahren zur solaren Trocknung von Substrat, insbesondere von Klärschlamm, bei dem das auf einer Trocknungsfläche befindliche Substrat mit solarer Energie beaufschlagt und durch eine Heizeinrichtung beheizt wird, indem durch die Trocknungsfläche ein erwärmtes Heizmedium geleitet wird.

Eine solche Anlage und ein derartiges Verfahren sind bekannt und werden beispielsweise zur Trocknung von Klärschlämmen eingesetzt, die in größeren Mengen bei der Abwasseraufbereitung anfallen und einen hohen Feuchtigkeitsanteil aufweisen. Um die Masse des zu entsorgenden Materials zu reduzieren und Transportkosten zu senken, sowie eine stabile Lagerung auf Deponien bzw. ein spätere Verbrennung zu ermöglichen, wird dem Klärschlamm Feuchtigkeit entzogen. Hierfür stehen mehrere Vorgehensweisen zur Auswahl: Bei der thermischen Volltrocknung wird der Schlamm in Ofen oder mittels Heißluft getrocknet, wobei erhebliche Mengen an Prozesswasser sowie hohe Energiekosten anfallen. Im Gegensatz hierzu wird bei der solaren Entfeuchtung die Sonnenenergie zur Trocknung des Klärschlammes verwendet. Hierzu wird das zu trocknende Material auf einer Fläche ausgebreitet, die von einem für Sonnenstrahlen im Wesentlichen transparenten Gebäude überdacht ist. Auf diese Weise wird einerseits Niederschlagswasser abgehalten, andererseits unter Nutzung des Treibhauseffektes die durch Sonnenstrahlen eingetragene Wärmeenergie am Entweichen gehindert und somit der Trocknungseffekt im Vergleich zu einer Trocknung ohne ein Treibhausgebäude erhöht. Die Abfuhr von feuchter Luft und das Einbringen von Frischluft erfolgt durch eine geeignete Be- und Entlüftungseinrichtung, so dass die Feuchtigkeit an der Oberfläche des am Boden ausgebreiteten Materials verdunsten kann. In Hohlräumen zwischen Partikeln des zu trocknenden Materials stellt sich jedoch bereits nach kurzer Zeit ein Sättigungsdampfdruck ein. Da sich diese gesättigte Luft nur sehr langsam an die Oberfläche bewegt, kann ein Wenden des Materials die Geschwindigkeit des Wasseraustrags erheblich steigern. Hierfür kommen unterschiedliche Wende- und/oder Transporteinrichtungen zum Einsatz, die das Material entweder nur durchmischen oder zusätzlich durch das Treibhaus transportieren.

Eine solche solare Trocknung von Schlämmen ist jedoch auf nachteilige Weise in starkem Maße von der gegebenen und nicht beeinflussbaren Sonneneinstrahlung abhängig und unterliegt daher auch starken jahreszeitlichen Schwankungen. So

kommt die Trocknung beispielsweise im Winter nahezu vollständig zum Erliegen, so dass ein erheblicher Teil des anfallenden Schlammes zwischengelagert werden muss.

In den bekannten Anlagen zur solaren Trocknung werden daher oft Heizeinrichtungen verwendet, die beispielsweise durch im Boden des Gebäudes unter dem ausgebreiteten Material verlegte Rohre und eine diese durchströmende erwärmte Flüssigkeit nach dem Prinzip einer Fußbodenheizung das ausgebreitete Material zusätzlich erwärmen. Die zum Erhitzen der Flüssigkeit notwendige Energie wird bei diesen Anlagen beispielsweise durch eine öl- oder Gasfeuerung bzw. eine elektrische Beheizung zur Verfügung gestellt.

Derartige bekannte Anlagen besitzen jedoch den Nachteil, dass in Folge der zusätzlichen Beheizung hohe Energie- und damit laufende Kosten der Anlage entstehen. Darüber hinaus treten bei der Erzeugung der zum Beheizen der Flüssigkeit notwendigen Energie in der Regel erhebliche Umweltbelastungen auf, da zum Großteil auf die Verbrennung fossiler Primärenergieträger zurückgegriffen wird.

Eine Vorrichtung zum Trocknen von feuchtem Material ist in der DE 195 08 400 beschrieben, bei der ein Trocknungsluftstrom vor Eintritt in eine Trocknungseinrichtung durch Solarluftkollektoren hindurchgeführt wird und der so erwärmte Luftstrom dann das feuchte Material beaufschlagt oder durchsetzt. Hierbei besteht jedoch in nachteiliger weise eine Identität von Heizmedium und Trocknungsmedium, so dass die zunehmend mit Feuchtigkeit durchsetzte Luft nur begrenzt einer erneuten Erwärmung zugeführt werden kann und daher ständig neue Außenluft auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden muss.

In der DE 43 15 321 sind eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Trocknung von Schlämmen und verschmutzten Flüssigkeiten beschrieben, bei denen eine Trocknung in einem transparenten Gebäude mit Hilfe von Solarstrahlung erfolgt.

Zur Erhöhung des Trocknungsvorgangs wird zudem eine Vorrichtung in der Art einer Fußbodenheizung vorgeschlagen. über die Art der Erwärmung eines darin zu verwendenden Heizmediums werden dort jedoch keine Aussagen getroffen.

Weiterhin ist in der DE 33 12 329 ein den gewachsenen Erdboden als Speichermedium verwendender Wärme-Erdspeicher zum Einsatz bei Gebäudeheizungen beschrieben, deren Wärmequelle nur zeitweise wirksam ist, wie insbesondere Solarkollektoren. Dabei ist unter anderem auch ein Wärmetauscher vorgesehen, wodurch verschiedene Kreisläufe mit unterschiedlichen Drücken und/oder verschiedenen chemischen Zusammensetzungen wie beispielsweise Frostschutzmittelzusatz möglich sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage sowie ein Verfahren der eingangs erwähnten Art derart weiterzubilden, dass eine Beheizung des zu trocknenden Substrats auf kostengünstige und umweltschonende Weise möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Anlage dadurch gelöst, dass die Heizeinrichtung als thermische Solaranlage ausgebildet ist, die mindestens einen Solarkollektor besitzt, durch den die zur Erwärmung des in dem mindestens einen Rohr befindlichen Heizmediums benötigte Energie erzeugbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass eine als thermische Solaranlage ausgebildete Heizeinrichtung verwendet wird, durch welche die zur Erwärmung des Heizmediums erforderliche Energie gewonnen wird.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme einer als thermische Solaranlage ausgebildeten Heizeinrichtung ist in vorteilhafter Weise die natürlich vorhandene Sonneneinstrahlung nun in zweifacher Weise nutzbar. Die bisherige Nutzung der Sonnenenergie unter Ausnutzung der direkten Sonneneinstrahlung wird nun zusätzlich dadurch unterstützt, dass durch den mindestens einen Solarkollektor -

und somit ebenfalls unter Ausnutzung der natürlichen Sonneneinstrahlung - das Heizmedium erwärmt wird, welches dann durch ein oder mehrere Rohre zur Beheizung des auf der Trocknungsfläche ausgebreiteten Substrates strömt. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage liegt hierbei in den geringen Betriebskosten der Anlage sowie dem umweltfreundlichen zugrunde liegenden Verfahren.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage besteht in der Verminderung der jahreszeitlichen Leistungsschwankungen, da die als thermische Solaranlage ausgebildete Heizeinrichtung auch bei Temperaturen unterhalb der 0 ° C-Grenze betriebsfähig ist. Durch die so erhöhte Trocknungsleistung der erfindungsgemäßen Anlage werden in vorteilhafter Art und Weise durch Verkürzung der Trocknungszeiten notwendige Zwischenlagerungskapazitäten vermindert, Transportkosten infolge der durch zunehmenden Trockenrückstand abnehmenden Masse reduziert sowie eine stabile Lagerung des Endmaterials auf Deponien bzw. eine thermische Verwertung wie beispielsweise zur Energiegewinnung in Zementöfen ermöglicht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Heizeinrichtung einen Wärmespeicher besitzt, der über einen Primärkreislauf mit dem mindestens einen Solarkollektor verbunden ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise das durch den Solarkollektor aufgeheizte Heizmedium und die darin enthaltene Wärmeenergie gespeichert werden. Dies erlaubt es beispielsweise, tagsüber bei hoher Sonneneinstrahlung Energie zwischenzuspeichern und diese nachts an das Material abzugeben.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die thermische Solaranlage zwei getrennte, durch einen Wärmetauscher gekoppelte Heizmediumkreisläufe zum separaten Betrieb von Wärmegewinnung und Wärmeabgabe aufweist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das die vom Heizmedium durchströmbaren Rohre der Anlage in mehrere getrennte mit dem Heizmedium beaufschlagbare Segmente unterteilt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Beheizung in diesen Segmenten getrennt an- und abschaltbar ist, so dass Teile der Trocknungsfläche als Freifläche nutzbar sind und ein Chargen- oder Batchbetrieb ermöglicht wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass über der Trocknungsfläche mindestens ein hallenartiges vorzugsweise gewächshausartiges Gebäude errichtet ist, dessen Boden vorzugsweise die Trocknungsfläche ausbildet. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise der Treibhauseffekt zur Trocknung genutzt werden, sowie Niederschläge vom Substrat ferngehalten werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das flüssige Heizmedium mindestens eines Kreislaufes mit einem Frostschutzmittel versetzt ist. Auf diese Weise wird zum einen ein Gefrieren des Kreislaufes im Winter verhindert, zum anderen erhöht das Frostschutzmittel in der Regel den Siedepunkt des Heizmediums, so dass ein Sieden dieser wärmetragenden Flüssigkeit auch bei maximaler Stillstandstemperatur der Solarkollektoren verhindert wird.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen, das im Folgenden anhand der Figuren beschrieben wird. Es zeigen:

Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Anlage,

Figur 2: eine schematische Darstellung einer Heizeinrichtung des Ausführungsbeispiels.

In den Figuren 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anlage 1 zur bisolaren Trocknung von Substrat dargestellt, die hier als Anlage 1 zur bisolaren Trocknung von Klärschlamm dient. Die Anlage 1 beinhaltet - im hier beschriebenen Fall - zwei hallenartige Gebäude 2a, 2b, die für Sonnenstrahlung zumindest teilweise transparente Dächer und/oder Wände aufweisen. Dem Fachmann ist klar ersichtlich, dass der beschriebene Fall einer zwei Gebäude 2a, 2b aufweisenden Anlage 1 nur einen beispielhaften Charakter besitzt. Natürlich ist es möglich, auch nur ein Gebäude 2a oder mehr als zwei Gebäude 2a, 2b vorzusehen. Dem Fachmann ist aus der nachstehenden Beschreibung auch ersichtlich, dass die Verwendung von hallenartigen Gebäuden 2a, 2b zwar bevorzugt, aber nicht notwendig ist. Ausreichend ist, dass die Anlage 1 eine Trocknungsfläche 3 aufweist, auf weiche das zu trocknende Substrat, hier der zu trocknende Klärschlamm, aufbringbar und durch Sonneneinstrahlung thermisch beaufschlagbar ist. Die Verwendung von Gebäuden 2a, 2b besitzt jedoch den Vorteil, dass in den Gebäuden 2a, 2b das zu trocknende Substrat von Umwelteinflüssen geschützt gelagert werden kann und es durch eine gewächshausartige Ausbildung der Gebäude 2a, 2b möglich ist, den Treibhauseffekt derartig ausgebildeter Gebäude 2a, 2b zur Trocknung des Klärschlamms zu nutzen.

Als Trocknungsflächen 3 für das zu trocknende Substrat fungieren hier Böden 3a, 3b der Gebäude 2a, 2b, in denen Rohre 6 angeordnet sind, durch die ein Heizmedium strömt und damit die Böden 3a, 3b und somit das auf diesen Böden 3a, 3b gelagerte Substrat nach Art einer Fußbodenheizung erwärmt.

Im Gegensatz zu den bekannten monosolaren Anlagen, bei denen der Energieeintrag in das zu trocknende Substrat zwar ebenfalls durch natürliche Sonneneinstrahlung, die Erhitzung des die Rohre 6 durchströmenden Heizmediums jedoch durch konventionelle Energieträger erfolgt, ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass das die Rohre 6 durchströmende Heizmedium durch eine als thermische Solaranlage 8 ¹ ausgebildete Heizeinrichtung 8 - also

ebenfalls durch die natürliche Sonneneinstrahlung - erwärmt wird. Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, dass die zur Erwärmung der Böden 3a, 3b und des auf diesen befindlichen, zu trocknenden Klärschlamms notwendige Energie ausschließlich durch die natürliche Sonneneinstrahlung bereitgestellt wird. Auf diese Art und Weise werden nicht nur die laufenden Energie- und Betriebskosten reduziert, sondern auch die Umweltbelastung derartiger Anlagen vermindert, indem nun nicht mehr auf fossile Energieträger zur Erwärmung des die Rohre 6 durchströmenden Heizmediums zurückgegriffen werden muss.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anlage 1 besteht darin, dass durch diese bisolare Trocknung des Substrats eine deutliche Steigerung der Leistung der Anlage 1 im Vergleich zu monosolaren Anlagen erzielt wird, was zu einer Verkürzung der Trocknungsperiode und/oder zu einer Erhöhung des prozentualen Trockenrückstandes im Substrat führt. Dies hat wiederum in vorteilhafter Art und Weise zur Folge, dass bei kürzeren Trocknungsperioden weniger angelieferter Klärschlamm vor seiner Trocknung auf einem Lagerplatz 4 der Anlage 1 zwischengelagert werden muss. Bei einem höheren Trocknungsgrad und der damit einhergehenden Verringerung der Masse des zu trocknenden Substrats sinken in vorteilhafter Art und Weise die Kosten für dessen Abtransport. Des Weiteren besitzt dies den Vorteil, dass es nun möglich ist, den getrockneten Klärschlamm stabil auf Deponien zu lagern oder in Folge des geringeren Feuchtigkeitsgehaltes einer thermischen Verwertung zuzuführen.

Die thermische Solaranlage 8' ist nun in Figur 2 schematisch dargestellt. Sie weist Solarkollektoren 9 auf, die im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel auf dem Dach eines Technikgebäudes 5 angeordnet sind. Das in einem Primärkreislauf 10 befindliche Heizmedium, vorzugsweise eine geeignete Flüssigkeit, wird bei seinem Durchgang durch die Solarkollektoren 9 der Solaranlage 8 ¹ erwärmt und gelangt dann in einen Wärmespeicher 14, der mit einem Wärmetauscher 13 in Verbindung steht. Von dem Wärmetauscher 13 geht ein Sekundärkreislauf 12 aus,

welcher das vom Wärmetauscher 13 erwärmte Heizmedium des Sekundärkreislaufs 12 zu den Rohren 6 der Böden 3a, 3b leitet.

Dem Fachmann ist aus obiger Beschreibung ersichtlich, dass die Ausbildung der Heizeinrichtung 8 mit Wärmespeicher 14 und Wärmetauscher 13 zwar bevorzugt wird, aber nicht zwingend erforderlich ist. Es ist auch zum Beispiel möglich, die Solarkollektoren 9 direkt über einen einzigen Kreislauf mit den Rohren 6 zu verbinden.

Die Regelung des Primärkreislaufs 12 erfolgt hierbei vorzugsweise durch eine Temperaturdifferenz-Regelung, mittels einer Messung der Temperatur des Heizmediums im Solarkollektor 9 und dessen Temperatur im Wärmespeicher 14: Liegt die Temperatur des Heizmediums in Solarkollektor 9 über einer Temperatur des Heizmediums im Wärmespeicher 14, wird der Primärkreislauf 10 geöffnet und derart über das Heizmedium Wärme in den Wärmespeicher 14 eingebracht. Liegt die Temperatur des Heizmediums im Solarkollektor 9 unter derjenigen im Wärmespeicher 14, so wird ein Zufluss des in den Solarkollektoren 9 befindlichen kühleren Heizmediums zum Wärmespeicher 14 unterbunden, um eine Abkühlung desselben zu vermeiden.

Die Regelung der Wärmeversorgung der Rohre 6 über den Sekundärkreislauf 12 erfolgt ebenfalls aufgrund einer Temperaturdifferenz-Messung zwischen der Temperatur des Heizmediums im Wärmespeicher 14 und dessen Temperatur in den Böden 3a, 3b: Liegt die Temperatur im Wärmespeicher 14 über derjenigen in den Böden 3a, 3b, so wird der Sekundärkreislauf 12 geöffnet, um Wärme aus dem Wärmespeicher 14 zu den Rohren 6 und somit zu den Böden 3a, 3b zu transportieren.

Um einzelne Abschnitte der Trocknungsfläche 3 wärmebeaufschlagen zu können, kann optional vorgesehen sein, dass die Trockenfläche 3 in mehrere Segmente

6a - 6e unterteilt ist, die unabhängig voneinander mit Wärme beaufschlagbar sind.

Wie bereits erwähnt, wird bevorzugt, dass das Heizmedium eine entsprechende Flüssigkeit ist, da diese in sicherheits- und handhabungstechnischer Hinsicht Vorteile gegenüber einem ebenfalls möglichen gasförmigen Heizungsmedium aufweist. Bei der Verwendung von Flüssigkeit wird bevorzugt, dass dieser Flüssigkeit ein Frostschutzmittel zugefügt wird. Auf diese Weise wird zum einen ein Einfrieren dieser Flüssigkeit im Winter verhindert, zum anderen erhöht das Frostschutzmittel in der Regel den Siedepunkt der Flüssigkeit, so dass ein Sieden der wärmeertragenden Flüssigkeit auch bei maximaler Stillstandstemperatur der Solarkollektoren verhindert wird.