DE102010045612A1

DE102010045612A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Torrefizierung von Gärresten in Biogasanlagen

Info

Publication number: DE102010045612A1
Application number: DE102010045612A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-03-22
Also published as: WO2012048677A3; WO2012048677A2; EP2616530A2

Abstract

Zunächst betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von getrockneten Gärresten von Biogasanlagen. Die Gärreste sollen in einen wertvollen Brennstoff überführt werden. Hier gilt es die Wirtschaftlichkeit und den energetischen Wirkungsgrad von Biogasanlagen zu verbessern und die Überdüngung von Böden zu verhindern. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Lösung der Aufgabe, in einer Biogasanlage mit angeschlossenem Blockheizkraftwerk aus den getrockneten Gärresten der Biogasanlage einen hochwertigen Brennstoff zu machen. Hier soll ein Verfahren angewendet werden, welches dem Verfahren der Torrefizierung sehr ähnlich ist. Die Torrefizierung ist ein Pyrolyseprozess mit einer auf ca. 300°C begrenzten Temperatur. Dabei entweichen flüchtige Bestandteile mit insgesamt nur geringen Brennwerten, wobei bei den getrockneten Gärresten die Massereduzierung zu einer deutlichen Erhöhung des Heizwertes von ca. 4 kWh/kg auf 6 kWh/kg führt. Der TS-Gehalt erhöht sich dabei von 85% auf über 95%. Da die Abgastemperatur eines Blockheizkraftwerkes höher ist als die erforderliche Temperatur zur Torrefizierung der getrockneten Gärreste, soll die Vorrichtung zur Torrefizierung der getrockneten Gärreste mit dem Abgas des Verbrennungsmotors beheizt werden. Als Vorrichtung soll vorzugsweise ein Schneckenreaktor verwendet werden.

Description

Zunächst betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von getrockneten Gärresten von Biogasanlagen. Die Gärreste sollen in einen wertvollen Brennstoff überführt werden. Dabei stehen ein kontinuierlicher Betrieb, ein einfacher Aufbau und eine hohe Wirtschaftlichkeit im Vordergrund.
STAND DER TECHNIK
Moderne Biogasanlagen mit einem Blockheizkraftwerk zur Stromerzeugung werden in zunehmendem Maße mit einer Trocknungsanlage für die anfallenden Gärreste ausgerüstet oder nachgerüstet. Bei diesen Trocknungsanlagen werden die Gärreste mit einem TS-Gehalt von etwa 5 bis 10% auf einen TS-Gehalt von etwa 85% unter Nutzung der Abwärme des Blockheizkraftwerks getrocknet. Der getrocknete Gärrest hat dann, je nach Trocknertyp, eine Schüttdichte von 150 bis 350 kg/m³, der durch eine nachgeschaltete Pelletierung auf ca. 650 kg/m³ erhöht werden kann. Die Gärreste können, entsprechend gekennzeichnet, als Dünger vermarktet werden und besitzen einen Düngerwert von ca. 20,- EUR/t. Der wesentliche Hauptbestandteil der getrockneten Gärreste ist jedoch eine holzartige Masse mit einem, dem Holz entsprechenden Heizwert. Als Brennstoff können die Gärreste nur sehr bedingt verwendet werden. Als Brennstoff wäre jedoch ein entsprechend aufbereiteter und pelletierter Gärrest mit etwa 200,- EUR/t deutlich wertvoller. Dieses wirtschaftliche Potenzial soll mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbar werden.
BESCHREIBUNG
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Lösung der Aufgabe, in einer Biogasanlage mit einem angeschlossenen Blockheizkraftwerk aus den getrockneten Gärresten der Biogasanlage einen hochwertigen Brennstoff zu machen. Die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen mit Blockheizkraftwerken soll deutlich erhöht werden. Es soll der fast zehnfache Marktpreis für Brennstoffe gegenüber dem Marktpreis für Dünger durch die erfindungsgemäße Aufbereitung der Gärreste erzielt werden können, ohne jedoch auf die anorganischen Düngersubstanzen verzichten zu müssen, da diese auch nach der energetischen Nutzung des Brennstoffs in der Asche grundsätzlich weiterhin als Dünger zur Verfügung stehen. Die Nutzung der aufbereiteten Gärreste als Brennstoff ermöglicht eine Reduzierung der Überdüngung der Böden. In einigen Regionen mit hohem Viehbestand gibt es durch Futtermittelimporte ein Überangebot an Dünger. Der mineralische Dünger verbleibt bei der thermischen Nutzung der aufbereiteten Gärreste in der Asche, ist dort hochkonzentriert und transportwürdig. Der Brennstoff kann vermarktet werden oder auch lokal zur Trocknung von weiteren Gärrestmengen genutzt werden. Mit der Möglichkeit einen transportwürdigen und lagerfähigen Brennstoff zu erzeugen werden neben der besseren Wirtschaftlichkeit zwei wesentliche Effekte erreicht. Einerseits wird der energetische Wirkungsgrad der Biogasanlagen verbessert und andererseits wird die lokale Überdüngung der Äcker verhindert. Mit dieser Möglichkeit wird die Aufbereitung des Biogases zur Einspeisung in ein Erdgasnetz zu einer ökologisch eher fragwürdigen Alternative bezüglich der Gärreste und der Düngerfrachten.
Es soll eine erfindungsgemäße Vorrichtung geschaffen werden, die eine Aufbereitung der getrockneten Gärreste ermöglicht, mit dem Ziel, die Brenneigenschaften zu verbessern und den Heizwert deutlich zu erhöhen. Hier soll ein Verfahren angewendet werden, welches dem Verfahren der Torrefizierung sehr ähnlich ist. Die Torrefizierung ist ein Pyrolyseprozess mit einer auf ca. 300°C begrenzten Temperatur. Dabei entweichen flüchtige Bestandteile mit insgesamt nur geringen Brennwerten, wobei bei den getrockneten Gärresten die Massereduzierung von 10 bis 25% zu einer deutlichen Erhöhung des Heizwertes von ca. 4 kWh/kg auf 6 kWh/kg führt. Der TS-Gehalt erhöht sich dabei von 85% auf ca. 95%. Bei einer Biogasanlage mit Blockheizkraftwerk und angeschlossener Gärresttrocknung wird nach dem heutigen Stand der Technik das hohe Temperaturniveau der Abgase des Verbrennungsmotors nicht direkt für die Gärresttrocknung, sondern nur mittelbar zur Heizung der trockenen Umgebungsluft genutzt. Da die Abgastemperatur eines Blockheizkraftwerkes mit 450 bis 500°C höher ist als die erforderliche Temperatur zur Torrefizierung der getrockneten Gärreste, kann die Vorrichtung zur Torrefizierung mit dem Abgas des Verbrennungsmotors beheizt werden. Der Energiebedarf für die Torrefizierung der anfallenden Gärreste einer Biogasanlage bei ca. 300°C ist gemessen am gesamten Wärmeangebot des Blockheizkraftwerkes sehr gering. Da die Torrefizierung unter Luftabschluss erfolgen muss, sollte die Vorrichtung zur Torrefizierung der getrockneten Gärreste vorzugsweise mit einem Doppelmantel ausgestattet sein, der von den Abgasen des Verbrennungsmotors durchströmt wird. Die Vorrichtung wird mit dem Abgas des Verbrennungsmotors auf etwa 300°C beheizt und die etwa 300°C heißen, flüchtigen Ausgasungen aus dem Gärrest werden dem Gärresttrockner zugeführt, um mit der Energie der Abgase aus der Torrefizierung den Trockner zu unterstützen und um die ohnehin vorhandene Abluftreinigung der Gärresttrocknung auch für die flüchtigen Ausgasungen der Torrefizierung zu nutzen.
Die Vorrichtung ist, wie in 1 dargestellt, vorzugsweise als Schneckenreaktor aufgebaut und besteht aus einem doppelwandigen Zylinder (1) mit einer drehbaren Schnecke (2) mit einem Antriebsmotor (3). Der Schneckenraum (4) sollte vorzugsweise nur teilweise mit Material gefüllt sein, um eine gewisse Mischwirkung zu erzielen. Die Drehzahl der Schnecke bestimmt den Gärrestdurchsatz und die Verweilzeit des Materials in der Vorrichtung zur Torrefizierung. Die erforderliche Verweilzeit liegt im Bereich von einigen Minuten. Der Doppelmantel des Schneckenreaktors dient als Wärmetauscher für die Beheizung und für die anschließende Abkühlung der Gärreste. Der in Flussrichtung erste Doppelmantel (5) dient als Wärmetauscher für die Beheizung der Vorrichtung mit den Abgasen des Verbrennungsmotors und besitzt einen Einlaufstutzen (6) und einen Auslaufstutzen (7) für die Motorabgase. Der andere Doppelmantel (8) dient zur Abkühlung der torrefizierten Gärreste und wird von einem Kühlmedium, vorzugsweise dem Motorkühlwasser durchströmt und besitzt einen Kühlmitteleinlauf (9) und einen Kühlmittelauslauf (10). Der Schneckenraum (4) ist gasdicht absperrbar und besitzt mindestens drei Öffnungen, eine Öffnung für den Gärresteintritt, eine Öffnung für den Austritt des torrefizierten Gärrestes und mindestens eine Öffnung für den Austritt der flüchtigen Abgase (11). Die verschließbare Öffnung für den Gärresteintrag (12) kann mit einer Zellenradschleuse (13), mit einer Doppelklappe oder mit einem Schlauchventil realisiert werden. Die verschließbare Öffnung am Materialaustrag (14) kann eine Zellenradschleuse (15) oder eine Doppelklappe sein. Die flüchtigen Abgase, die bei der Torrefizierung entstehen, werden entweder einer Verbrennungsanlage, dem Verbrennungsmotor oder dem Trockner für die nassen Gärreste der Biogasanlage zugeführt. Werden die Abgase dem Trockner für die Gärreste zugeführt, kann dies mit einem Gebläse (16) erfolgen. Das Verfahren lässt sich ebenso auf andere holzartige Biomassen anwenden, wenn erfindungsgemäß die Abgase eines Verbrennungsmotors genutzt werden.
Es sei noch erwähnt, dass alternativ zu der dargestellten Ausführungsform der erste zur Beheizung vorgesehene Doppelmantel (5) einem ersten Rohr und der zweite zur Kühlung vorgesehene Doppelmantel (8) einem zweiten Rohr zugeordnet sein kann, wobei die Rohre derart miteinander verbunden sind, dass das Material von dem ersten Rohr in das zweite Rohr strömen kann. Das erste Rohr und das zweite Rohr können z. B jeweils eine Schnecke (2) aufweisen. Ebenso kann die Vorrichtung auch zwei hintereinandergeschaltete Schneckenreaktoren umfassen. Der erste ist z. B. zur Beheizung und der zweite zur Kühlung vorgesehen.

Claims

Verfahren zur Torrefizierung von Biomasse, vorzugsweise von getrockneten Gärresten in einer Biogasanlage mit einem Blockheizkraftwerk mit Verbrennungsmotor und einer Gärresttrocknung, gekennzeichnet dadurch, dass die Gärreste nach der Trocknung in eine Torrefizierungsvorrichtung gelangen, wo unter Luftabschluss die getrockneten Gärreste für einige Minuten auf ca. 300°C erhitzt werden, die Torrefizierungsvorrichtung zumindest mit einem Teil der Wärmeenergie aus den Abgasen des Verbrennungsmotors beheizt wird und die aus der Torrefizierungsvorrichtung austretenden torrefizierten Gärreste als Brennstoff verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die flüchtigen Abgase aus der Torrefizierung dem Trockner für die Gärreste zugeführt werden.
Vorrichtung, insbesondere für die Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorrichtung zur Torrefizierung mindestens ein doppelwandiges, insbesondere zylindrisches Rohr mit einer angetriebenen, insbesondere konzentrischen, drehbaren Schnecke zur Förderung des Materials umfasst, das Rohr an den axialen Enden verschlossen ist, das Rohr mindestens drei Öffnungen nach außen besitzt, ein verschließbare Öffnung für den Materialeintrag, eine verschließbare Öffnung für den Materialaustrag und eine Öffnung für den Gasaustritt und dass das Rohr mindestens zwei Doppelmäntel besitzt, der Außenmantel des einen Doppelmantels mindestens zwei Öffnungen besitzt, eine Öffnung für den Eintritt des Abgases des Verbrennungsmotors und eine Öffnung für Austritt des Abgases und der Außenmantel des anderen Doppelmantels mindestens einen Eintritt und einen Austritt für ein Kühlmedium besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei in Materialflussrichtung hintereinander angeordnete doppelwandige zylindrische Rohre vorgesehen sind, wobei mittels des stromaufwärts angeordneten ersten Rohres das Material erwärmbar und mittels des stromabwärts angeordneten zweiten Rohres das Material kühlbar ist.