1.2.1 Zielsetzung
Als Ziel der Arbeit steht die Entwicklung qualitativ hochwertiger Festbrennstoffe mit defi-nierten physikalisch-mechanischen Eigenschaften aus Landschaftspflegeheu und/oder Gär-resten. Für die thermischen Nutzung in automatisch bestückten Feuerungsanlagen ist die Verarbeitung der Materialien zu homogenen Brennstoffpellets vorteilhaft (Erhöhung der volumetrischen Energiedichte, verbesserte Förderfähigkeit und Homogenisierung). Durch den Aufbereitungs- und Veredelungsprozess der Pelletherstellung sollen Eigenschaften ge-neriert werden, die vor allem Transport- und Lager- aber auch Brennstoffqualitäten positiv beeinflussen können. Für einen erleichterten Marktzugang ist der Pelletherstellungsprozess
so auf die Rohstoffe abzustimmen, dass die physikalisch-mechanischen Eigenschaften die Mindestanforderungen derIso 17225-6 [20] für nicht-holzartige Pellets einhalten. Weiter bietet eine energiespezifische Optimierung, die Möglichkeit den Produktionsenergieeinsatz zu minimieren.
Neben der Betrachtung des Herstellungsprozesses als Ganzes soll der Verdichtungs-prozess in Matrizenpressen untersucht werden. Dabei wird der Frage „Was und wie hält ein Pellet zusammen?“ nachgegangen. Die Bedeutung der „Theorien der Bindemechanismen und -kräfte“ liegt hier im Fokus der Arbeit. Die Agglomeration der Untersuchungsmate-rialien und die zugehörigen Theorien sollen durch Tests und Analysen verifiziert werden.
Landschaftspflegeheu steht dabei als Beispiel für Halmgüter (geringer Ligningehalt, hoher Faseranteil) und Gärreste als ein ligninreicher und faserarmer Vertreter für die Untersu-chungen zur Verfügung.
1.2.2 Vorgehensweise
Beginnend mit der Darstellung der „Theorien der Bindemechanismen und -kräfte“, wird anschließend der Fokus auf die Pelletherstellung als relevantes Agglomerationsverfahren gelegt. Anhand einer Literaturrecherche werden die wichtigsten Verfahrensschritte und Techniken für die Aufbereitung der Rohstoffe hin zu Brennstoffpellets dargestellt. Da-bei gliedert sich der VerarDa-beitungsprozess maßgeblich in Zerkleinerung und Pelletierung.
Um die wichtigsten Einflussgrößen auf die Pelletqualität zu ermitteln, erfolgt parallel ei-ne umfassende Literaturrecherche zur Verdichtung verschiedeei-ner biogeei-ner Rohstoffe. Da-bei sollen Wissenslücken für die AnwendungsDa-beispiele Landschaftspflegeheu und Gärreste identifiziert werden - die Variationsmöglichkeiten von Rohstoff- und Prozessparametern stehen hier im Vordergrund.
Die Verarbeitung der Materialien erfolgt im Technikumsmaßstab, wobei Maschinen gemäß dem Stand der Technik genutzt werden. Durch einzelne Versuchsreihen und eine umfangreiche statistische Versuchsplanung und Versuchsdurchführung soll ein Brennstoff mit qualitativ hochwertigen und normkonformen Pelleteigenschaften bei geringem Ener-gieaufwand erzeugt werden. Als Qualitätsmerkmale sind vor allem hohe Abriebfestigkeiten und hohe Schüttdichten zu erzielen.
Um den Verdichtungsprozess mit Matrizenpressen besser verstehen zu können, wer-den umfangreiche Untersuchungen am Einzelpresskanal mit wer-den Reststoffen durchgeführt.
Dabei spielen vorrangig Parameter wie Verdichtungstemperatur, Wassergehalt und Parti-kelgröße des Rohstoffes sowie Inhaltsstoffe eine wichtige Rolle. Anhand von ausgewählten Nachweismöglichkeiten soll ein Beitrag zur Wirkung relevanter Bindemechanismen erar-beitet werden.
Die Verknüpfung der Herstellung von normkonformen Brennstoffpellets und der Un-ersuchung der Wirkung von Bindemechanismen in Pellets ist schematisch in Abb. 1.1 zusammengefasst.
Reststoffe
Ringmatrizenpresse (RMP) Einzelpresskanal (EPK) Zerkleinerung und Konditionierung (Mischung und Einstellung Wassergehalt)
Pelletentwicklung „Theorie der Bindemechanismen und -kräfte“
Hauptbewertungskriterien:
physikalisch-mechanische Pellet-eigenschaften
energetische Charakterisierung
Betrachtungen:
bildgebende Analyseverfahren Thermisch-chemische Verfahren Optimierung Rohstoff-und Prozessparameter
Verdichtung
Landschaftspflegeheu Gärreste aus Biogasanlagen
Variation Rohstoff-undProzessparameter
Abb. 1.1:Fließbild zur Aufgabenstellung
2 Grundlagen der
Agglomerationstechnik
2.1 Bindekräfte und Bindemechanismen
Je nach Ausgangsmaterial und Agglomerationsprozess sind unterschiedliche Bindemecha-nismen und Bindekräfte für den Zusammenhalt der einzelnen Partikel und Fasern ver-antwortlich. Durch das Etablieren eines optimalen Faser- bzw. Partikelverbundes im Ag-glomerat, werden die geforderten physikalisch-mechanischen Eigenschaften erzeugt. Beim Zusammenhalt von feinen Partikeln bzw. Fasern zu Agglomeraten treten die in Abb. 2.1 dargestellten Bindemechanismen bzw. -kräfte auf, wobei diese erstmals 1958 [63] syste-matisiert wurden und bis heute Anwendung finden.
Hauptvalenzbindekräfte:
Atom-, Ionen- und Metallbindungen Nebenvalenzbindekräfte:
Van-der-Waals- und H2-Brückenbindungen
Abb. 2.1:Auftretende Bindemechanismen und -kräfte bei der Agglomeration [63]
Die Grundlagen der Bindemechanismen werden durchHeinze[30],Pietsch[57] und Schubert [66] umfangreich beschrieben und im Folgenden zusammengefasst dargestellt.
Festkörperbrücken
Festkörperbrücken können im Agglomerat durch Sinterung, Schmelzhaftung, chemische Reaktionen, erhärtende Bindemittel oder Kristallisation gelöster Stoffe durch Trocknung hervorgerufen werden. Bindemittel können einerseits Bestandteil des zu agglomerieren-den Stoffes (z.B. Lignin, Protein oder Stärke) und andererseits extra Zuschlagsstoffe, wie Melasse, Paraffine, Protein, Stärke, Zellstoff oder Sulfitablauge, sein. Durch Tempera-turerhöhung des Partikelverbandes auf etwa zwei Drittel der Schmelztemperatur werden Atome und Moleküle so angeregt, dass Diffusionsvorgänge an den Kontaktstellen der Par-tikel entstehen. Dies führt zur Bildung von Sinterbrücken. Die für diesen Effekt benötigte Wärme kann zum einen durch externe Materialerwärmung und zum anderen durch Rei-bungsarbeit zugeführt werden. Bei weiterer Temperaturerhöhung schmilzt der Stoff und bildet zunächst Flüssigkeitsbrücken (Schmelzen) aus, die sich beim Auskühlen zu Fest-körperbrücken wandeln. Wenn Flüssigkeitsbrücken austrocknen, kristallisieren die gelös-ten Stoffe und bilden Festkörperbrücken. Je höher die Trocknungsgeschwindigkeit, desto beständiger sind die Bindungen, was von größeren Partikeln eher begünstigt wird. Fest-körperbrücken können sich auch durch chemische Reaktionen ausbilden. Typisch hierfür ist die Verkleisterung von Stärke - dem Zusammenspiel von Polysacchariden und Wasser unter Temperatureinwirkung. Stärke kann zum einen natürlich im Rohstoff vorliegen und zum anderen als Zusätze dem Agglomerationsprozess zugeführt werden. Unterschiedliche Stärken weisen dabei variierende Verkleisterungstemperaturen auf: Weizenstärke 65◦C, Maisstärke 80◦C und Kartoffelstärke 90◦C [35].
Adhäsion zwischen Partikeln
Elektrostatische, magnetische oder Van-der-Waals-Kräfte sind Anziehungskräfte zwischen fein zerkleinerten Partikel ohne stoffliche Verbindung. Allerdings sind bei der Pressagglo-meration (Fokus der Arbeit) lediglich die Van-der-Waals-Kräfte von Bedeutung. Durch Dipol-Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen benachbarter Partikeloberflä-chen wirken diese nur mit geringen Reichweiten (<100nm) zwischen sehr kleinen Parti-keln. Dabei müssen die Partikeldurchmesser deutlich unter 100nmliegen, um dauerhafte Bindungen erzeugen zu können.
Adhäsion zwischen freibeweglichen Flüssigkeiten
Ein typisches Beispiel für eine freibewegliche Flüssigkeit ist Wasser. Bei geringen Men-gen bilden sich zunächst einzelne, nicht miteinander verbundene Brücken, die durch Ka-pillarkräfte zusammengehalten werden. Nimmt der Flüssigkeitsanteil zu, schließen sich Porenzwischenräume, der Partikel wird umschlossen und aufgrund des kapillaren Unter-drucks und der Oberflächenspannung zusammengehalten. Für jedes Agglomerat existiert ein optimaler Flüssigkeitsbedarf, da mit weiter zunehmendem Flüssigkeitsanteil die stati-sche Festigkeit abnimmt.
Adhäsion zwischen nicht freibeweglichen Flüssigkeiten
Stärkere Bindungen können durch Zugabe von zähflüssigen, nicht freibeweglichen Zusätzen (z.B. Melasse als Bindemittel) generiert werden. Durch eine hohe Viskosität wirken neben Adhäsions- zusätzlich Kohäsionskräfte.
Formschlüssige Bindungen
Formschlüssige Bindungen können je nach Partikelstruktur durch Verhaken, Verfilzen, Umschlingen und vergleichbaren Mechanismen infolge von Druck- und/oder Temperatur-einfluss entstehen.