Ersatzbrennstoffe
Brikettierung überlagerter Lebensmittel zu Ersatzbrennstoffen und Verbrennungsverhalten in Abfall-,
Ersatzbrennstoff- und Biomassekraftwerken
Christian Gierend, Sebastian Georg und Uwe Schneider
1. Zielstellung ...460
2. Versuchsbeschreibung ...460
3. Versuchsergebnisse ...462
3.1. Brot-Papier ...462
3.2. Brot-Papier-Sägespäne ...464
3.3. Brot-Sägespäne ...467
3.4. Brot-Spleie-Papier-Sägespäne ...469
3.5. Spleie-Hobelspäne ...471
3.6. Spleie-Kunststoff ...473
3.7. Spleie-Papier ...475
3.8. Spleie-Sägespäne ...477
4. Diskussion und Ausblick ...479
Bei der Verwertung von überlagerten Lebensmitteln zu höherwertigen Produkten fallen meist Reststoffe an, die der Wertschöpfungskette trotz aller Recyclingbemühungen nicht mehr, oder nur mit unverhältnismäßigem Aufwand zugeführt werden können.
Diese werden thermisch entsorgt und können nur bedingt zwischengelagert werden.
Der Aufwand, Biomasse und Wertstoffe zu trennen, ist energie- und kostenintensiv.
Daher empfiehlt sich zum besseren Handling, zum biostabilen und thermostabilen Lagern die schnelle Kompaktierung in Brikett-Form.
Ziel des Vorhabens ist es in mehreren Versuchen überlagerte Lebensmittel zu Ersatz- brennstoffen zu brikettieren und deren Leistungsdaten zu vergleichen. Auf Basis dieser Untersuchungen soll Optimierungspotential erkannt und Möglichkeiten zur Verbesse- rung erarbeitet werden. Zur Beurteilung von Verbrennungsprozessen mit brikettierten Brennstoffen aus überlagerten Lebensmitteln ist es essentiell, genaue Kenntnisse der Abläufe zeitnah erfassen und bewerten zu können.
Ersatzbrennstoffe
Bisher ist der Markt für Verbrennungsanlagen mit Brennstoffen aus dem direkten regi- onalen Umfeld versorgt worden. Brennstoffeinsatz und Herstellung liegen lokal in enger Nachbarschaft. Die Nachfrage von biogenen und CO2-neutralen Brennstoffen ist aber in den letzten Jahren sprunghaft angestiegen. Die Märkte für regionale Brennstoffe öffnen sich für Importware – Bagasse und/oder Babacu, als auch andere z.B. Kokosnuss-Briketts, usw.
Dies ist für die bisherigen Produktionsabfälle der Region eine günstige Gelegenheit, denn in Mischung mit diesen Importbrennstoffen lassen sich neue Brennstoffe durch Brikettierung herstellen. Diese Substitutionsbrennstoffe sind für den heimischen Brennstoffen in keiner Weise nachteilig und helfen den Kampf um Margen an Biomasse – direkte Lebensmittel für den Menschen – zu entspannen.
Hydraulische Brikettieranlagen verdichten das lose Material zu festen Briketts und schaffen so die Grundlage, nahezu alle organischen und anorganischen Stoffe in einen Wertstoff- Kreislauf einzubinden.
Damit die richtige Brikettierungssführung zur Verfügung steht, ist es notwendig gerade die mechanisch verformbaren Besonderheiten von einigen Brennstoffen im Vorfeld zu kennen.
Zu diesem Zweck soll der Einfluss des Brikettiervorgangs auf die Qualität des Brennstoffs untersucht und Möglichkeiten zur Optimierung erarbeitet werden. Es sollen die mecha- nische Belastbarkeit, die Oberflächenqualität, die Dauerstabilität und die Ausformung untersucht und gegebenenfalls verbessert werden.
1. Zielstellung
Um Luft- und Brennstoffoptimierung entsprechend zu beherrschen ist es notwendig
• die Brennstoffgegebenheiten richtig zu berücksichtigen,
• den Einsatzzweck zu analysieren,
• die verbrennungstechnischen Gase im Feuerraum richtig zu führen.
Damit die richtige Verbrennungsführung zur Verfügung steht, ist es notwendig die ver- brennungstechnischen Besonderheiten der verwendeten Brennstoffe im Vorfeld zu kennen.
In einer Versuchsreihe an Kleinfeuerstätten können Brennstoffe unter kontrollierten Be- dingungen untersucht werden. Zünd-, Entgasungs- und Abbrandverhalten werden mit umfassender Messtechnik aufgezeichnet und detailliert dargestellt. Neben quantitativen Größen wird das Abbrandverhalten auch qualitativ beurteilt. Dabei kommen Infrarot- und Videokameratechniken zum Einsatz. Geschulte und erfahrene Techniker kennen den Verbrennungsprozess in ihren Feuerstätten und können Veränderungen im Flammenbild unmittelbar einem brennstoffspezifischen Umstand zuordnen.
2. Versuchsbeschreibung
Der bei den Versuchen genutzte Aufbau besteht aus einer Kleinfeuerstätte mit einer Nenn- wärmeleistung von sechs kW. Die Anlage verfügt über Primär- und Sekundärluftversorgung.
Die Frischluftversorgung ist durch einen Saugzug am Kaminende gewährleistet und stellt einen konstanten Unterdruck von zwanzig Pa im Feuerraum sicher. Achtzig cm nach der letzten Frischluftzufuhr sind Messsonden zur Bestimmung von Temperatur, Abgasspezies
Ersatzbrennstoffe
und Staubgehalt positioniert. Der Feuerraum ist durch ein Schauglas einsehbar, dort sind eine Infrarotkamera und eine Videokamera angebracht, die den Versuch aufzeichnen.
Die Messtechnik umfasst:
• Ein Abgasanalysegerät aus der Kraftwerkstechnik zur Messung von O2, CO2, CO, NOx und Abgastemperatur,
• Ein Feinstaubanalysegerät entsprechend 1. BImSchV Stufe 2,
• Eine Feuerrauminfrarotkamera mit 3,9 µm Bandpassfilter und einer Auflösung von 256 x 256 Pixel zur Bestimmung der Temperaturen von Glutbett und Feuerraumwänden,
• Eine digitale Videokamera mit einer Auflösung von 640 x 480 Pixel.
Die Diagramme (vgl. Bild 1) zeigen jeweils einen vollständigen Versuch, beginnend un- mittelbar nach der Brennstoffaufgabe. Die Zeitachse ist auf 70 Minuten normiert, wobei die Versuchsdaten 60 Minuten umfassen. Die Messwerte für Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Feinstaub können an der linken Achse abgelesen werden, wobei die Feinstaubwerte mit dem Faktor 10 zu multiplizieren sind. Die Achse reicht von 0 Prozent bis 22,5 Prozent für Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid und von 0 mg/m³ bis 225 mg/m³ für Feinstaub. Die Messwerte für Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide und die Temperaturen können an der rech- ten Achse abgelesen werden, wobei die Werte für Kohlenstoffmonoxid mit dem Faktor 10 zu multiplizieren sind. Sie reicht von 0 °C bis 750 °C für die Temperaturen, von 0 mg/m³ bis 750 mg/m³ für Stickoxide und von 0 bis 7.500 mg/m³ für Kohlenstoffmonoxid. Die Skalierung aller Achsen ist für alle Versuche normiert.
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 1:05 Zeit hh:mm
O2 Vol.-%
CO2
Vol.-% Staub
10 mg/m3 CO
10 mg/m3 NOx
mg/m3 Gas
°C
Wand
°C Stoff
°C 22,5
21,0 19,5 18,0 16,5 15,0 13,5 12,0 10,5 9,0 7,5 6,0 4,5 3,0 1,5 0 O2 Vol.-%
CO2 Vol.-%
Staub 10 mg/m3
CO 10 mg/m3 NOx mg/m3 T °C 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
Bild 1: Beispiel für ein Versuchsdiagramm
Ersatzbrennstoffe
Folgende Messwerte werden erfasst:
Sauerstoff – O2: Gesamter Sauerstoffgehalt im Abgas in Volumenprozent.
Kohlenstoffdioxid – CO2: Gesamter Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas in Vol.-Prozent.
Kohlenstoffmonoxid – CO: Gehalt an Kohlenstoffmonoxid im Abgas in Milligramm pro Kubikmeter. Die Massenangabe ist bezogen auf den Kubikmeter Abgas im Norm- zustand – 273,15 K, 1013 mbar –, trocken und umgerechnet auf einen Bezugssauer- stoffgehalt von 13 Vol.-Prozent.
Stickoxide – NOx: Gehalt an Stickoxiden im Abgas in Milligramm pro Kubikme- ter. Die Massenangabe ist bezogen auf den Kubikmeter Abgas im Normzustand – 273,15 K, 1013 mbar, – trocken und umgerechnet auf einen Bezugssauerstoffgehalt von 13 Vol.-Prozent. Die Menge an NOx ist entweder die Summe aus Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) oder Stickstoffmonoxid multipliziert.
Feinstaub – Staub: Gehalt an Feinstaub im Abgas in Milligramm pro Kubikme- ter. Die Massenangabe ist bezogen auf den Kubikmeter Abgas im Normzustand – 273,15 K, 1013 mbar, – trocken, umgerechnet auf einen Bezugssauerstoffgehalt von 13 Vol.-Prozent und abzüglich der erweiterten Messunsicherheit.
Gastemperatur – T_Gas: Temperatur des Abgases in °C an der Messstelle für Feinstaub und Abgasspezies.
Rückwandtemperatur – T_Wand: Mittels Infrarotkamera ermittelte Temperatur der Feuerrauminnenwände in °C.
Gluttemperatur des Brennstoffs – T_Stoff: Mittels Infrarotkamera ermittelte Tem- peratur des Brennstoffs in °C.
3. Versuchsergebnisse
Im Folgenden sind die Versuchsstoffe und die Ergebnisse der Abbrandversuche dar- gestellt. Es wird die Methodik aus Kapitel 2 angewandt.
3.1. Brot-Papier
Lebensmittel werden häufig in Papier- oder Kartonverpackungen ausgeliefert. Bei der Brikettierung wäre es effizienter diese Verpackungen nicht in arbeits- und energie- aufwendigen Verfahren vom Reststoff zu trennen und separat behandeln zu müssen.
Die Mischung aus Brot und Papier, die in Bild 2 dargestellt ist, steht stellvertretend für eine kombinierte Verarbeitung anfallender Reststoffe. Die Schüttdichte beträgt 0,193 kg/dm³ und der Wassergehalt 16,9 Prozent.
Die Beschickungszeit beträgt 3 s, dabei werden 1.320 g Material in die Matrize ein- gebracht. Der Vorverdichterdruck beträgt 100 bar. Der Pressdruck beträgt 295 bar.
Das Volumen des fertigen Briketts beträgt 1.270 cm³. Das fertige Brikett ist in Bild 3 dargestellt. Ausformung und Oberflächenqualität sind akzeptabel. Nach Entnahme aus der Brikettieranlage expandieren die Briketts mit der Zeit. Den Falltest aus zwei Meter Höhe übersteht das Brikett unbeschadet.
Ersatzbrennstoffe
Die Mischung aus Brot und Papier ist qualitativ unterhalb der Mischung aus Brot und Sägespänen einzuordnen. Da die Briketts stabil sind, können sie, bei Berücksichtigung der Expansion, bei Transport, Lagerung und als Substitutionsbrennstoff eingesetzt werden.
Bild 2:
Ausgangsstoff: Mischung aus Brot und Papier
Bild 3:
Brikett aus Brot und Papier Bild 4 zeigt den Verlauf des Abbrandes bei einem Brikett aus Brot und Papier. Die Zündung erfolgt schnell. Nach einem Anstieg der Gluttemperatur auf 560 °C nach 5 min folgt ein langsames Absinken. Wand- und Gastemperatur spiegeln die geringe Entwicklung von Pyrolysegasen wieder. Der Mangel an Flammenstrahlung wiede- rum wirkt auf den Brennstoff zurück und führt zu einer weiteren Verzögerung des Ausbrandes. Der Temperatursprung bei 8 Minuten ist auf einen Kollaps des Briketts zurückzuführen, wodurch sich die Reaktionsfläche erhöht.
Die Mischung aus Brot und Papier hat bei vertretbarer Schadstoffemission ein gutes Heizverhalten. Für einen stabilen Abbrand werden allerdings hohe Feuerraumtempe- raturen und ein entsprechend hoher Strahlungseintrag in den Brennstoff benötigt. Die Gluthaltung ist eher schwach ausgeprägt.
Ersatzbrennstoffe
Bild 4: Abbrandversuch eines Briketts aus Brot und Papier
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 1:05 Zeit hh:mm
O2 Vol.-%
CO2
Vol.-% Staub
10 mg/m3 CO 10 mg/m3
NOx
mg/m3 Gas
°C
Wand
°C
Stoff
°C 22,5
21,0 19,5 18,0 16,5 15,0 13,5 12,0 10,5 9,0 7,5 6,0 4,5 3,0 1,5 0 O2 Vol.-%
CO2 Vol.-%
Staub 10 mg/m3
CO 10 mg/m3 NOx mg/m3 T °C 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
00:00 03:09 06:09 11:00 26:00
Bild 5: Visuelle (oben) und thermografische (unten) Darstellung des Abbrandverhaltens eines Briketts aus Brot und Papier
3.2. Brot-Papier-Sägespäne
Ob sich die Qualität der Brot-Papier-Briketts durch zusetzen von Sägespänen verbessern lässt wurde in Versuchen ermittelt, die mit einer Mischung durchgeführt wurden, die zu gleichen Teilen aus Brot, Papier und Sägespänen besteht. Diese Mischung ist in Bild 6 dargestellt. Die Schüttdichte beträgt 0,212 kg/dm³ und der Wassergehalt 15,2 Prozent.
Ersatzbrennstoffe Bild 6:
Ausgangsstoff: Mischung aus Brot, Papier und Sägespänen
Die Beschickungszeit beträgt 3 s, dabei werden 1230 g Material in die Matrize einge- bracht. Der Vorverdichterdruck beträgt 130 bar. Der Pressdruck beträgt 295 bar. Das Volumen des fertigen Briketts beträgt 1170 cm³. Die Brikettqualität ist insgesamt sehr gut, Ausformung und Oberflächenqualität sind mit reinen Holzbriketts vergleichbar.
Auch nach längerer Zeit tritt keine Expansion auf. Den in Bild 7 gezeigten Falltest aus 2 m Höhe übersteht das Brikett weitgehend unversehrt.
Bild 7:
Brikett aus Brot, Papier und Sägespänen
Bild 8 zeigt den Verlauf des Abbrandes bei einem Brikett aus Brot, Papier und Sägespä- nen. Die Zündung erfolgt nach acht min und es wird eine maximale Gluttemperatur von 590 °C erreicht. Im Vergleich zu Briketts die nur aus Brot und Papier bestehen (vgl. Kapitel 3.1) fördert die Beimischung von Holz eine schnelle Entgasung. Es wer- den höhere Gas- und Wandtemperaturen erreicht. Negativ beeinflusst wird durch die Sägespäne die Feinstaubkonzentration im Abgas.
Ersatzbrennstoffe
Die Beimischung von Sägespänen zu einer Mischung aus Brot und Papier ist vom Standpunkt der thermischen Verwertung aus gesehen ausschließlich mit Nachteilen verbunden, da der entstehende Brennstoff höhere Emissionen und eine schlechte Gluthaltung aufweist.
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 1:05 Zeit hh:mm
O2 Vol.-%
CO2
Vol.-% Staub
10 mg/m3 CO 10 mg/m3
NOx
mg/m3 Gas
°C
Wand
°C Stoff
°C 22,5
21,0 19,5 18,0 16,5 15,0 13,5 12,0 10,5 9,0 7,5 6,0 4,5 3,0 1,5 0 O2 Vol.-%
CO2 Vol.-%
Staub 10 mg/m3
CO 10 mg/m3 NOx mg/m3 T °C 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
00:00 04:00 09:00 17:23 27:30
Bild 8: Abbrandversuch eines Brikets aus Brot, Papier und Sägespänen
Bild 9: Visuelle (oben) und thermografische (unten) Darstellung des Abbrandverhaltens eines Briketts aus Brot, Papier und Sägespänen
Ersatzbrennstoffe
3.3. Brot-Sägespäne
Um die Brikettqualität zu verbessern wurde eine Mischung aus Brot und Sägespänen im Massenverhältnis 1:1 hergestellt. Dieser Ausgangsstoff ist in Bild 10 dargestellt. Die Schüttdichte beträgt 0,255 kg/dm³ und der Wasseranteil 16,1 Prozent. Die Sägespäne bringen zusätzlich Lignin ein und reduzieren den Wasseranteil der Mischung.
Bild 10:
Ausgangsstoff: Mischung aus Brot und Sägespänen
Die Beschickungszeit beträgt 2,5 s, dabei werden 1.150 g Material in die Matrize ein- gebracht. Der Vorverdichterdruck beträgt 100 bar. Der Pressdruck beträgt 295 bar.
Das Volumen des fertigen Briketts beträgt 1.190 cm³. Das fertige Brikett ist in Bild 11 dargestellt. Die Masse ist kompakt und gut ausgeformt. Die Oberflächenqualität ist akzeptabel. Den Falltest aus zwei Meter Höhe übersteht das Brikett unversehrt.
Die Dichte erhöht sich um den Faktor 4,3 von 0,225 kg/dm³ Schüttdichte auf 0,97 kg/dm³ Brikettdichte. Zusammen mit der leicht handhabbaren Form der Briketts ermöglicht dies platzsparende Lagerung und Transport von Altbroten und vergleich- baren Bäckereierzeugnissen. Zum Vergleich: 1.000 kg Bäckereierzeugnisse benötigen unbehandelt 8,13 m³ Stauraum, während die gleiche Menge Brot in Brikettform trotz zugesetzten Sägespänen lediglich 2,06 m³ Stauraum benötigt.
Bild 11:
Brikett aus Brot und Sägespänen
Ersatzbrennstoffe
Ähnlich wie das Brikett aus Brot und Papier zeigt das Brikett aus Brot und Sägespänen ein schwaches Entgasungsverhalten. Nach acht Minuten erreicht die Gastemperatur ihr Maximum von 320 °C. Brennstoff- und Wandtemperatur folgen mit einiger Ver- zögerung und erreichen 550 °C bzw. 510 °C. Die Entwicklung von Schadstoffen ist hingegen ähnlich ausgeprägt, wie bei einem Brikett aus Brot, Papier und Sägespänen, was auf den Holzanteil zurückzuführen ist.
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 1:05 Zeit hh:mm
O2 Vol.-%
CO2
Vol.-% Staub
10 mg/m3 CO
10 mg/m3 NOx
mg/m3 Gas
°C
Wand
°C
Stoff
°C 22,5
21,0 19,5 18,0 16,5 15,0 13,5 12,0 10,5 9,0 7,5 6,0 4,5 3,0 1,5 0 O2 Vol.-%
CO2 Vol.-%
Staub 10 mg/m3
CO 10 mg/m3 NOx mg/m3 T °C 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
01:00 04:00 09:00 16:30 29:00
Bild 12: Abbrandversuch eines Briketts aus Brot und Sägespänen
Bild 13: Visuelle (oben) und thermografische (unten) Darstellung des Abbrandverhaltens eines Briketts aus Brot und Sägespänen
Ersatzbrennstoffe
3.4. Brot-Spleie-Papier-Sägespäne
Analog zum vorhergehenden Versuch wird hier eine Mischung verwendet, die als unsortierter Reststoff in der Lebensmittelindustrie anfallen kann. Die Massenanteile dieser Mischung betragen: 20 Prozent Spleie, 20 Prozent Papier, 20 Prozent Brot und 40 Prozent Sägespäne. Die Schüttdichte beträgt 0,252 kg/dm³ und der Wassergehalt 10,5 Prozent. Der Ausgangsstoff ist in Bild 14 dargestellt.
Bild 14:
Ausgangsstoff: Mischung aus Spleie, Papier, Brot und Säge- spänen
Die Beschickungszeit beträgt 2,5 s, dabei werden 1.130 g Material in die Matrize ein- gebracht. Der Vorverdichterdruck beträgt 100 bar. Der Pressdruck beträgt 295 bar.
Das Volumen des fertigen Briketts beträgt 1.050 cm³. Das fertige Brikett ist in Bild 15 dargestellt. Ausformung und Oberflächenqualität sind sehr gut. Die Dichte beträgt 1,08 kg/dm³. Den Falltest aus zwei Meter Höhe übersteht das Brikett nahezu unbeschadet.
Bild 15:
Brikett aus Spleie, Papier, Brot und Sägespänen
Ersatzbrennstoffe
Bei Briketts aus Brot, Spleie, Papier und Sägespänen erreich die Gastemperatur nach fünf Minuten ein Maximum von 390 °C. Die Brennstoff- und Wandtemperaturen er- reichen nach weiteren drei Minuten ihr Maximum von 530 °C. Insgesamt sind sowohl Gluthaltung wie auch Entgasung schwach ausgeprägt. Damit stellt sich der Abbrand ähnlich dar, wie bei anderen Briketts, die einen hohen Brotanteil aufweisen.
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 1:05 Zeit hh:mm
O2 Vol.-%
CO2
Vol.-% Staub
10 mg/m3 CO 10 mg/m3
NOx
mg/m3 Gas
°C
Wand
°C
Stoff
°C 22,5
21,0 19,5 18,0 16,5 15,0 13,5 12,0 10,5 9,0 7,5 6,0 4,5 3,0 1,5 0 O2 Vol.-%
CO2 Vol.-%
Staub 10 mg/m3
CO 10 mg/m3 NOx mg/m3 T °C 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
00:30 05:00 10:00 20:00 30:00
Bild 16: Abbrandversuch eines Briketts aus Brot, Spleie, Papier und Sägespänen
Bild 17: Visuelle (oben) und thermografische (unten) Darstellung des Abbrandverhaltens eines Briketts aus Brot, Spleie, Papier und Sägespänen
Ersatzbrennstoffe
3.5. Spleie-Hobelspäne
Da ein Brikett aus reiner Spleie nicht den mechanischen Anforderungen genügt, wird ein Versuch mit einer Mischung aus 50 Masse-Prozent Spleie und 50 Masse-Prozent Hobelspänen durchgeführt. Das im Holz enthaltene Lignin dient als Binder und soll die Brikettqualität deutlich steigern. Die verwendete Mischung ist in Bild 18 dargestellt.
Die Schüttdichte beträgt 0,137 kg/dm³ und der Wassergehalt 11,4 Prozent.
Bild 18: Ausgangsstoff: Mischung aus Spleie und Hobelspänen
Die Beschickungszeit beträgt 4,5 s, dabei werden 1.100 g Material in die Matrize eingebracht. Der Vorverdichterdruck beträgt 180 bar. Der Pressdruck beträgt 295 bar. Das Volumen des fertigen Briketts beträgt 1.030 cm³. Oberflächenqualität und Ausformung sind wie in Bild 19 zu erkennen sehr gut. Den Falltest aus zwei Meter Höhe übersteht das Brikett weitgehend unversehrt. Die Ergebnisse sind insbesondere hinsichtlich der Fes- tigkeit des Briketts besser als bei dem vorhergehenden Versuch. Damit eignen sich Briketts mit dieser Mischung unein- geschränkt zur Lagerung, Transport und Verwertung. Mit einer Brikettdichte von 1,06 kg/dm³ kann die gleiche Menge an Spleie, trotz Zugabe von Hobelspänen, in einem 15 Prozent kleineren Volumen gelagert werden.
Bild 19: Brikett aus Spleie und Hobelspänen
Das Brikett erreicht nach vier Minuten eine Gastemperatur von 350 °C, die da- nach aber kontinuierlich anfällt. Die Glut hingegen erreicht Temperaturen von über 600 °C und kann diese auch lange halten, was sich auch in der Wandtemperatur wiederspiegelt, die dem Feststoffausbrand sehr genau folgt. Die Schadstoffentwick- lung, besonders im Hinblick auf Fein- staub, ist hoch.
Ersatzbrennstoffe
Das Brikett aus Spleie und Hobelspänen zeigt eine gut ausgeprägte Gluthaltung. Es werden nur wenige Pyrolyseprodukte freigesetzt, was auf den hohen Spleieanteil zu- rückzuführen ist. Die geringe Temperatur des Gasausbrandes hat dabei aber keinen negativen Einfluss auf das Zündverhalten oder den Feststoffausbrand.
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 1:05 Zeit hh:mm
O2 Vol.-%
CO2
Vol.-% Staub
10 mg/m3 CO 10 mg/m3
NOx
mg/m3 Gas
°C
Wand
°C
Stoff
°C 22,5
21,0 19,5 18,0 16,5 15,0 13,5 12,0 10,5 9,0 7,5 6,0 4,5 3,0 1,5 0 O2 Vol.-%
CO2 Vol.-%
Staub 10 mg/m3
CO 10 mg/m3 NOx mg/m3 T °C 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
00:30 03:00 12:00 23:00 33:00
Bild 20: Abbrandversuch eines Briketts aus Spleie und Hobelspänen
Bild 21: Visuelle (oben) und thermografische (unten) Darstellung des Abbrandverhaltens eines Briketts aus Spleie und Hobelspänen
Ersatzbrennstoffe
3.6. Spleie-Kunststoff
In der industriellen Produktion fallen meist unterschiedliche Reststoffe an, die nicht getrennt gesammelt werden. In diesem Versuch soll überprüft werden, wie sich eine Mischung aus Spleie, Hobelspänen und Kunststoffen beim Brikettieren verhält. Das Schüttgut ist in Bild 22 dargestellt. Die Schüttdichte beträgt 0,254 kg/dm³ und der Wassergehalt 9,8 Prozent.
Bild 22:
Ausgangsstoff: Mischung von Spleie und mit Kunststoff ver- unreinigtem Holz
Die Beschickungszeit beträgt 2,5 s, dabei werden 1.000 g Material in die Matrize ein- gebracht. Der Vorverdichterdruck beträgt 100 bar. Der Pressdruck beträgt 295 bar.
Das Volumen des fertigen Briketts beträgt 980 cm³. Oberflächenqualität und Ausfor- mung des in Bild 23 dargestellten Briketts sind sehr gut. Eine Expansion des Briketts ist nicht zu beobachten. Die Dichte der Briketts beträgt 1,03 kg/dm³. Den Falltest aus zwei Meter Höhe übersteht das Brikett mit leichten Absplitterungen. Dies belegt, dass das Brikettierverfahren auch für Reststoffe mit Verunreinigungen geeignet ist. In der Industrie können damit Einsparungen erzielt werden, da eine Trennung der Reststoffe nicht mehr nötig ist. Dazu tragen auch reduzierte Lager- und Transportkosten aufgrund der kompakteren und leichter handhabbaren Form bei.
Bild 23:
Brikett aus Spleie und mit Kunst- stoff verunreinigtem Holz
Ersatzbrennstoffe
Das Brikett erreicht nach drei Minuten eine maximale Gastemperatur von 450 °C und kann diese für etwa vier Minuten halten. Brennstoff und Wandtemperatur steigen in der Zünd- phase sehr stark auf 730 °C bzw. 650 °C an, fallen aber im Vergleich mit einem Brikett aus Spleie und Hobelspänen schneller ab. Die Schadstoffentwicklung fällt ebenfalls geringer aus.
Die in der Mischung enthaltenen Kunststoffe führen zu einer stärkeren Entwicklung von Pyrolysegasen, die auch über lange Zeit anhält. Die Gluthaltung fällt gut aus.
Durch die Untersuchung nicht erfasst werden Schadstoffe wie Chlorverbindungen, die bei der Verbrennung von Kunststoffen üblicherweise auftreten.
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 1:05 Zeit hh:mm
O2 Vol.-%
CO2
Vol.-% Staub
10 mg/m3 CO
10 mg/m3 NOx
mg/m3 Gas
°C
Wand
°C Stoff
°C 22,5
21,0 19,5 18,0 16,5 15,0 13,5 12,0 10,5 9,0 7,5 6,0 4,5 3,0 1,5 0 O2 Vol.-%
CO2 Vol.-%
Staub 10 mg/m3
CO 10 mg/m3 NOx mg/m3 T °C 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
00:02 01:10 06:10 12:47 28:10
Bild 24: Abbrandversuch eines Briketts aus Spleie und mit Kunststoff verunreinigtem Holz
Bild 25: Visuelle (oben) und thermografische (unten) Darstellung des Abbrandverhaltens eines Briketts aus Spleie und mit Kunststoff verunreinigtem Holz
Ersatzbrennstoffe
3.7. Spleie-Papier
Ähnlich wie bei anderen Lebensmitteln wird auch bei Spleie häufig eine Umverpackung aus Papier zum Transport und zur Lagerung verwendet. In diesem Versuch wird eine Mischung aus 50 Massen-Prozent Spleie mit der gleichen Menge Papier untersucht.
Diese Mischung ist in Bild 26 dargestellt. Die Schüttdichte beträgt 0,285 kg/dm³ und der Wassergehalt 8,3 Prozent.
Bild 26:
Ausgangsstoff: Mischung aus Spleie und Papier
Die Beschickungszeit beträgt 3 s, dabei werden 1.250 g Material in die Matrize einge- bracht. Der Vorverdichterdruck beträgt 100 bar. Der Pressdruck beträgt 295 bar. Das Volumen des fertigen Briketts beträgt 1.130 cm³. Wie in Bild 27 zu sehen dargestellt, ist die Oberflächenqualität gut und die Ausformung befriedigend. Das Brikett zeigt keine Expansion. Den Falltest aus zwei Meter Höhe übersteht das Brikett mit Absplit- terungen. Insgesamt ist die Qualität als gut zu beurteilen, allerdings schlechter als bei der Mischung mit Holz.
Bild 27:
Brikett aus Spleie und Papier
Ersatzbrennstoffe
Das Abbrandverhalten ähnelt stark dem eines Briketts aus Spleie und Hobelspänen, wobei die Gluthaltung im Vergleich noch einmal verbessert werden konnte. Dies ist zurückzuführen auf den Austausch von Holz mit Papier, was allerdings zu Lasten der Pyrolyse geht.
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O2 Vol.-%
CO2
Vol.-% Staub
10 mg/m3 CO
10 mg/m3 NOx
mg/m3 Gas
°C
Wand
°C Stoff
°C 22,5
21,0 19,5 18,0 16,5 15,0 13,5 12,0 10,5 9,0 7,5 6,0 4,5 3,0 1,5 0 O2 Vol.-%
CO2 Vol.-%
Staub 10 mg/m3
CO 10 mg/m3 NOx mg/m3 T °C 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
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Bild 28: Abbrandversuch eines Briketts aus Spleie und Papier
Bild 29: Visuelle (oben) und thermografische (unten) Darstellung des Abbrandverhaltens eines Briketts aus Spleie und Papier
Ersatzbrennstoffe
3.8. Spleie-Sägespäne
Der in Kapitel 3.5 durchgeführte Test mit einer Mischung aus Spleie und Hobelspänen zeigt gute Ergebnisse. Um zu überprüfen, ob der Anteil an Spleie gesteigert werden kann, wird ein weiterer Versuch durchgeführt. Bild 30 zeigt die verwendete Mischung aus 70 Masse-Prozent Spleie und 30 Masse-Prozent Sägespänen. Die Schüttdichte beträgt 0,316 kg/dm³ und der Wassergehalt 9,4 Prozent.
Bild 30:
Ausgangsstoff: Mischung aus Spleie und Sägespänen
Die Beschickungszeit beträgt 1,5 s, dabei werden 1.200 g Material in die Matrize ein- gebracht. Der Vorverdichterdruck beträgt 100 bar. Der Pressdruck beträgt 295 bar.
Das Volumen des fertigen Briketts beträgt 1.230 cm³. Das fertige Brikett ist in Bild 31 dargestellt. Die Oberflächenqualität und die Ausformung sind gut. Bei dem Falltest aus zwei Meter Höhe kommt es zu Absplitterungen. Die Qualität ist insgesamt noch akzeptabel, im Vergleich zu dem vorhergehenden Versuch konnte aber der Anteil an Spleie um 40 Prozent gesteigert werden.
Bild 31:
Brikett aus Spleie und Säge- spänen
Ersatzbrennstoffe
Das Brikett aus Spleie und Sägespänen zeigt, wie alle Briketts mit Spleie als Bestand- teil, eine starke Tendenz zur Gluthaltung. Allerdings ist sie überraschenderweise bei diesem Brikett nicht so stark ausgeprägt wie bei einem Brikett mit nur fünfzig Prozent Spleieanteil. Die Entwicklung von Pyrolysegasen geht durch den reduzierten Holzanteil allerding wie erwartet stark zurück.
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O2 Vol.-%
CO2
Vol.-% Staub
10 mg/m3 CO 10 mg/m3
NOx
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°C 22,5
21,0 19,5 18,0 16,5 15,0 13,5 12,0 10,5 9,0 7,5 6,0 4,5 3,0 1,5 0 O2 Vol.-%
CO2 Vol.-%
Staub 10 mg/m3
CO 10 mg/m3 NOx mg/m3 T °C 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
01:13 02:30 05:00 10:00 20:00
Bild 32: Abbrandversuch eines Briketts aus Spleie und Sägespänen
Bild 33: Visuelle (oben) und thermografische (unten) Darstellung des Abbrandverhaltens eines Briketts aus Spleie und Sägespänen
Ersatzbrennstoffe
4. Diskussion und Ausblick
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde dargestellt, dass aus überlagerten Lebens- mitteln qualitativ hochwertige Briketts hergestellt werden können. Dadurch wird die Lager- und Transportfähigkeit verbessert und der Platzbedarf verringert. Aus den Reststoffen wird so ein neues Produkt gewonnen. Für dieses Produkt bietet sich der Einsatz in der thermischen Verwertung als Substitutionsbrennstoff an. Die kompakte Form macht ihn mit festen Brennstoffen wie Braunkohle und Vollholz vergleichbar.
In den Abbrandversuchen zeigt sich, dass jedes Brikett als Brennstoff prinzipiell ge- eignet ist. Dennoch zeigen sich deutliche Unterschiede im Abbrandverhalten, die auf signifikant unterschiedliche Brennstoffzusammensetzung zurückzuführen sind.
Brot hat aufgrund der hohen Restfeuchte und der Zusammensetzung schlechtere Verbrennungseigenschaften als gängige Substitutionsbrennstoffe. Durch Mischung mit anderen, hochkalorischen Brennstoffen können die Verbrennungseigenschaften deutlich verbessert werden. Insbesondere Papier zeigt hier förderliche Eigenschaften.
Der Reststoff Spleie zeigt eine ausgeprägte Neigung zur Gluthaltung, bei gleichzeitig reduzierter Entwicklung von Pyrolysegasen. Deutlich macht sich auch eine verstärkte Feinstaubentwicklung bemerkbar. Der für die Brikettierung nötige Füllstoff kann dabei genutzt werden, um bei dem Brikett gewünschte Eigenschaften einzustellen. Holz bietet ein größeres Entgasungspotential und wirkt sich aufgrund seines hohen Heizwertes positiv auf die Wärmefreisetzung aus. Durch die Zugabe von Papier kann die Fähigkeit zur Gluterhaltung gesteigert werden. Aufgrund der Ähnlichkeit von Spleie mit ande- ren Pulverförmigen Lebensmitteln können die Ergebnisse aus den Versuchen auch auf andere Produkte wie z.B. Backmischungen und Fertigsoßen übertragen werden.
Papier als Zusatzstoff zeigte in mehreren Versuchen eine Neigung die Feinstaub- emissionen zu reduzieren, sowie die Gluthaltung zu verbessern. Damit ist Papier ein attraktiver Zusatzstoff, der die Brikettqualität verbessert. Da sich Papier allerdings gut aufbereiten lässt und es etablierte Recyclingwege gibt sollte Papier nur in dem Maße zu Briketts verarbeitet werden, wie wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll ist. Beispiele dafür sind Verpackungsmaterialien, die nur aufwendig von den enthaltenen Reststoffen getrennt werden können.
Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag neue Quellen für Biobrennstoffe zu er- schließen. Durch die Brikettiertung werden Reststoffe zu neuen Wertstoffen, die mit ihren einzigartigen Eigenschaften eine optimierte Feuerführung unterstützen.
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TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Mineralische Nebenprodukte und Abfälle – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen – ISBN: 978-3-944310-11-4 Published: 2014
Hardcover: 574 pages
with coloured images Price: 50.00 EUR
Mineralische Nebenprodukte und Abfälle 2 – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen – ISBN: 978-3-944310-21-3 Published: 2015
Hardcover: 782 pages
with coloured images Price: 50.00 EUR
Editor: Karl J. Thomé-Kozmiensky • Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
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3 Karl J. Thomé-Kozmiensky
MINERALISCHE NEBENPRODUKTE UND ABFÄLLE 2
– Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen –
Karl J. Thomé-KozmienskyMineralische Nebenprodukte und Abfälle
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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar
Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann (Hrsg.):
Energie aus Abfall, Band 13
ISBN 978-3-944310-24-4 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Copyright: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky Alle Rechte vorbehalten
Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2016
Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, M.Sc. Elisabeth Thomé-Kozmiensky
Erfassung und Layout: Sandra Peters, Ginette Teske, Janin Burbott-Seidel, Anne Kuhlo, Carolin Bienert
Druck: Universal Medien GmbH, München
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