Torrefizierung von lignocellulosehaltigen Reststoffen

Herausforderung

Die industrielle Nutzung von Holz bietet große Chancen, Erdöl und Erdgas zu ersetzen. Die Herausforderung besteht darin, mit innovativen Verfahren die Biomasse so zu behandeln, dass nachhaltige Produkte und Produktionswege entstehen. Üblicherweise werden Waldrestholz, Schwachholz und anderes minderwertiges Holz zu Hackschnitzeln zerkleinert. Hackschnitzel sind ein wichtiger Rohstoff für die holzverarbeitende Industrie. Außerdem dienen sie in Heizkraftwerken und Hackschnitzelheizungen als Brennstoff. Der hohe Wassergehalt der frischen Hackschnitzel verursacht zwei Probleme: Das Transportgewicht ist sehr hoch und die feuchte Masse lässt sich schlecht lagern. Schützt man die Hackschnitzel nicht vor Regen, verrottet das Material schnell.

Für die industrielle Nutzung von Biomasse muss eine Reihe von Problemen gelöst werden, darunter Materialqualität, Stabilität, Speicherung und Energiedichte. Deshalb hat das Fraunhofer IGB, unter anderem im Rahmen des EU-Projekts SteamBio, eine innovative Technologie entwickelt, die alle genannten Probleme angeht, indem sie eine effiziente Behandlung von Biomasse-Reststoffen und gleichzeitig eine Alternative zur Herstellung grüner Chemikalien bietet. Die Technologie ist nicht auf Biomasseprodukte beschränkt, sondern kann für verschiedene feste Rückstände wie Festmist, Gärreste oder Schlamm eingesetzt werden.

Unsere Lösung

Für die verbesserte energetische und stoffliche Nutzung lignocellulosehaltiger Biomasse haben wir die Torrefizierung bis zum Pilotmaßstab erfolgreich demonstriert. Die Technologie besteht in der Trocknung oder Torrefizierung von festen Rückständen mit Heißdampf (SHS) unter Atmosphärendruck. Das zu trocknende oder zu torrefizierende Material wird in die SHS-Atmosphäre eingebracht, wo es konvektiv mit Wärme versorgt wird und sein Feuchtigkeitsgehalt verdunstet.

Thermische Trennung von Reststoffen

In der Atmosphäre aus überhitztem Wasserdampf und somit unter Sauerstoffabschluss wird holzartiges Material bei Temperaturen von 220–300 °C behandelt. Das vorhandene Wasser wird ausgetrieben, danach zersetzt sich zuerst die Hemicellulose und anschließend ein Teil der Cellulose und des Lignins. Ziele bei der Torrefizierung sind die Erhöhung der massebezogenen Energiedichte und damit des Heizwerts des Rohmaterials, eine Steigerung der Transport- und Lagerfähigkeit sowie eine Reduzierung des technischen Aufwands bei einem nachfolgenden Zermahlen oder Pelletieren. Das resultierende Produkt gilt als ein idealer Zusatzbrennstoff für Kraftwerke mit Kohlestaubfeuerungen oder als Rohstoff für die biotechnische Raffinerie zur Herstellung von Chemieprodukten. Die flüchtigen Bestandteile, die sich während der Torrefizierung entwickeln, können vorsepariert und weiter als Rohstoff für die Herstellung chemischer Grundbausteine verwertet werden.

Anwendungen

• Bereitstellung von Biomasse mit hohen Energiedichten und mikrobiologisch stabilen Biokraftstoffen
• Herstellung von grünen Chemikalien und Düngemitteln
• Effizienter Transport und Lagerung von festen Rückständen
• Behandlung und Aufwertung von Biomasseprodukten
• Behandlung und Aufwertung von Festmist / Gärresten
• Entsorgung von Industrieabfällen

Der Einsatz von überhitztem Dampf zur Trocknung und Torrefizierung von biobasierten Roh- und Reststoffen bei atmosphärischem Druck (engl. superheated steam drying, SHSD) bietet viele Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren mit Heißluft.

• Die bei der Torrefaktion freigesetzten flüchtigen Verbindungen werden in erster Linie in der Kondensatfraktion in konzentrierter Form für den Weitertransport zu einer Bioraffinerie gewonnen. Aus den flüchtigen Substanzen lassen sich Chemikalien als Ausgangsmaterial für viele andere Industrieprodukte gewinnen.
• Diese Technologie ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen im Vergleich zum konventionellen Trocknungsprozess mit Heißluft.
• Durch die Abwesenheit von Sauerstoff gibt es keine oxidativen Reaktionen und es besteht keine Explosionsgefahr.
• Das Verfahren ist schall- und geruchsfrei.

Die Eigenschaften der erhaltenen Feststoffleistung werden deutlich verbessert:

• Reduzierte volumetrische Dichte und erhöhte Hydrophobie für optimalen Transport und Lagerung (wasserabweisende Holzhackschnitzel können z. B. als offenes Schüttgut transportiert werden)
  
• Verbesserte Schleifbarkeit, die eine Reduzierung des Stromverbrauchs durch Fräsen ermöglicht
• Erhöhter Brennwert
• Minimierter Abbau von Cellulose und Lignin, wodurch lignocellulosische Biomasse in Bioraffinerieprozessen genutzt werden kann

Die gezielte Rückgewinnung des Kondensats ermöglicht dessen weitere Nutzung als demineralisiertes Wasser. In vielen Fällen werden mit dem Wasser auch flüchtige Stoffe wie Aromastoffe oder leichtflüchtige VOCs (volatile organic compounds) kondensiert, die mittels Standardprozessen abgetrennt und so als Wertstoff zur Verfügung gestellt werden können. Dies wurde im Projekt Valorkon gezeigt.

Abluftfilter sind aufgrund der Kreislaufführung des Trockenmediums und der dampfdichten Hülle des Trockners nicht erforderlich. Die Verwendung von reinem Wasserdampf und somit die Abwesenheit von Luft, insbesondere Luftsauerstoff, ermöglichen einen inerten Prozessraum. Dies verhindert die Oxidation des Produkts. Außerdem wird die Explosionsgefahr (z. B. Staubexplosionen) deutlich reduziert.

Prozessführung

Bei einer günstigen Führung des Trockengutes ist es möglich, in einem kontinuierlichen Prozess unter Atmosphärendruck zu arbeiten. Dadurch kann auf Schleusensysteme verzichtet werden. Zur Beschickung und im Trockner selbst kann die Fördertechnik frei gewählt werden (Schwing-, Band- oder Schneckenförderer, Trommel etc.). Die Prozesstemperaturen von über 120 °C führen zu einer Hygienisierung des Trockengutes. Dieser Effekt kann durch die Anpassung der Temperatur und der Trockenzeit gezielt beeinflusst werden.

Wir begleiten Sie von ersten Voruntersuchungen über der Realisierung der entwickelten Anlagenkonzepte bis zur Inbetriebnahme einer Anlage:

• Wissenschaftliche Beurteilung, Beratung, Untersuchungen zu Aufgaben der Trocknung und des Wärmeübergangs
• Entwicklung eines an Ihre individuellen Bedürfnisse angepassten Anlagenkonzepts
• Prozessauslegung durch ein interdisziplinäres Team aus den Bereichen Verfahrenstechnik, Maschinenbau, Chemie, Mikrobiologie und Elektrotechnik
• Technikums- und Pilotanlagen für die Versuchsdurchführung
• Produktbezogene Beurteilung der Trocknung durch umfangreiches Analytikangebot
• Konstruktive Spezifizierung des Prozesses und der Anlagenkomponenten, u. a. mit der integrierten Kombination aus 3D-CAD-Konstruktion und numerischer Simulation von Strömungen, Wärmeübertragung etc. mit neuester Software