DE69217657T2

DE69217657T2 - Brennstoffpellet aus gepresstem holz sowie verfahren und maschine zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69217657T2
Application number: DE69217657T
Authority: DE
Inventors: Dag New Auburn Wi 54757 Romell
Original assignee: Cornell Research Foundation Inc
Current assignee: Cornell Research Foundation Inc
Priority date: 1991-05-03
Filing date: 1992-05-04
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2012-05-05
Also published as: FI934872A7; CA2109305C; FI934872L; NO933968D0; US6152973A; DE69217657D1; NO305442B1; SE469596B; CA2109305A1; NO933968L; SE9101334L; ATE149200T1; FI934872A0; EP0586415A1; EP0586415B1; JPH06507194A; AU1698692A; WO1992019702A1; SE9101334D0

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft aus Holz hergestellte Brennstoffpellets, ein Verfahren zur Herstellung gepreßter Holzbrennstoffpellets und eine Maschine zur Herstellung gepreßter Holzbrennstoffpellets.

Stand der Technik

Bekannter Stand der Technik enthält folgendes:
- US 959,870
- US 1 542 576
- US 2 586 308
- US 3 132 674
- US 3 527 580
- US 3 938 965
- US 4 015 951
- US 4 017 980
- US 4 060 396
- US 4 834 777
- DT 2 700 156
- DE C 516 801
-WO 91/02637
- FR 79/15755
Von besonderer Bedeutung hierbei sind folgende:
Die US 959,870 beschreibt ein Brennstoffbrikett relativ großer Größe am Beispiel eines Holzstücks, das aus Holzspänen hergestellt wurde und mit einem Agens, Pech oder Harz verklebt wurde.
Gemäß der US 1 542 526 wird ein Holzstück diametral zusammengepreßt und das zusammengepreßte Holz impragniert, um Pastillen, Maschinenteile und ähnliches herzustellen, vor der allgemeinen Verfügbarkeit von Kunststoff.
Die US 2 586 308 komprimiert hölzerne Webschiffchen-Blöcke für Textilwebstühle.
Die US 3 132 674 preßt einen länglichen Holzstab und bedampft diesen, um einen hochfesten Schaufelstiel herzustellen. Eine Verdichtung in der Größenordnung von 5 1/2% wird erreicht und eine elektrische Schaltung zur Kontrolle des Verdichtungsvorganges wird verwendet.
In allen bekannten Beispielen des Standes der Technik werden die Holz-Brennstoffpellets aus Sägemehl, Spänen, Schnipseln und anderen Formen gestückelten Holzes hergestellt.
Gegenwärtig zerfallen Brennstoffpellets mehr oder weniger leicht bei der Benutzung, sei es beim Transport von der Quelle zum Verbraucher oder in Beschickungsvorrichtungen, etc. Man hat herausgefunden, daß auf dem Markt erhältliche Pellets nach einer derartigen Behandlung typischerweise nicht mehr als 3/4 oder sogar 2/3 von Stücken enthalten, die noch als Pellets bezeichnet werden können, während der Rest aus kleinen Partikeln und Staub besteht.
Gegenwärtig bekannte Brennstoffpellets sind durchgehend von unterschiedlicher Größe und haben Formen, die es ihnen erlauben, Brücken in Behältern und dergleichen zu bilden.
Diese beiden Nachteile machen Beschickungseinrichtungen und dergleichen teurer, da man sich auf Förderschnecken oder ähnliche Hilfsmittel zur Beförderung der Pellets in den Brennraum stützen muß, währenddessen mit den neuen Pallets eine Beschickung durch Schwerkraft möglich ist.
Herstellungsanlagen für Pellets nach dem Stand der Technik sind gewöhnlicherweise sehr große und teuere Anlagen, die weitläufige Gebiete bedienen, was dazu führt, daß Transportkosten, sowohl für das Rohmaterial, als auch für die fertigen Produkte zu einem signifikanten Teil des Preises werden, mit dem der Verbraucher belastet wird.
Das Herstellen von Pellets, wie sie gegenwärtig verfügbar sind, benutzt ca. 15% der Energie des Holzes für den Herstellungsprozeß.
Matritzen, wie sie gegenwärtig für die Produktion von Pellets verwendet werden, verschleißen aufgrund einer Kombination von sehr hohem Druck und Reibung und der Tatsache, daß das zu pressende Teilchen oftmals eine bestimmte Menge an Körnern und Sand enthält, schnell. Sie sind ebenfalls teuer auszutauschen.

Ziele der Erfindung

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren und eine neue Maschine zur Herstellung neuer und verbesserter gepreßter Holzbrennstoffpellets zu schaffen.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung von gepreßten Holzbrennstoffpellets, das ohne der Zerkleinerung des Holzes auskommt, zu schaffen.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine neue und verbesserte Maschine zur Herstellung von gepreßten Holzbrennstoffpellets aus massivem Holz zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht noch darin, ein aus massivem Holz hergestelltes Holzbrennstoffpellet zu schaffen.
Diese Ziele werden erreicht durch ein Verfahren, wie es in Patentanspruch 1 angegeben ist, durch eine Maschine, wie sie im Patentanspruch 13 angegeben ist bzw. durch ein gepreßtes Brennstoffpellet, wie es in Patentanspruch 17 angegeben ist.

Kurze Figurenbeschreibung

Fig. 1 stellt eine schematische Methode und eine Apparatur zur Herstellung der Holzscheiben dar, die als das Rohmaterial für Holzbrennstoffpellets verwendet werden;
Fig. 2 ist eine seitliche Aufrißansicht einer typischen Holzscheibe;
Fig. 3 ist eine seitliche Aufrißansicht einer ersten, bevorzugten Ausführungsform eines Holzbrennstoffpellets;
Fig. 4 ist eine seitliche Aufrißansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Holzbrennstoff-
pellets;
Fig. 5 ist eine rückwärtige Aufrißansicht beider Fignren 3 oder 4;
Fig. 6 ist eine seitliche Aufrißansicht einer dritten, bevorzugten Ausführungsform eines Holzbrennstoffpellets;
Fig. 7 ist eine rückwärtige Aufrißansicht des Pellets der Fig. 6;
Fig. 8 ist eine seitliche Aufrißansicht einer ersten Maschine zur Herstellung von Brennstoffpellets;
Fig. 9 ist eine seitliche Aufrißansicht der Maschine von Fig. 8 bei der Herstellung eines Pellets;
Fig. 10 ist eine rückwärtige Aufrißansicht der Maschine von Fig. 8 in einer Mehrfachkonf iguration; Fig. 11 ist ein Querschnitt längs der Linien XI-XI von Fig. 10;
Fig. 12 ist ein alternativer Querschnitt längs der Linien XI-XI;
Fig. 13 zeigt ein Diagramm der Kraft über der Kompression für die Herstellung der Pellets gemäß dieser Erfindung dar;
Fig. 14 ist eine schematische Ansicht einer Maschine zur Herstellung der Pellets dieser Erfindung;
Fig. 15 ist eine ebene Ansicht der gepreßten Scheiben in Fig. 14.

BeschreibunG der bevorzugten Ausführungsform

In Übereinstimmung mit den Prinzipien dieser Erfindung ist ein langgestrecktes Holzstück 10, bevorzugt in einem zumindest teilweise getrocknetem Zustand, vorbereitet. Eine Trennmaschine 12, gezeigt ist eine Gattersäge, ist angeordnet, um einzelne, individuelle Holzscheiben 14 (oder Platten) vom Holzstück 10 abzutrennen. Staub des Trennvorganges wird durch einen Kollektor 16 aufgefangen und in einer Wärmemaschine 18 zur Versorgung der maschinellen Einrichtung und des Trennvorgangs mit Energie recycelt.
Die geschnittenen Scheiben 14 sind vorzugsweise auf einen Feuchtigkeitsgehalt, der geringer ist als der des Holzstücks 10, getrocknet und werden anschließend für die weitere Verwendung erfaßt.
Die Scheibe 14, gezeigt in Fig. 2, ist von einem Holzstück 10, welches vorzugsweise einen Druchmesser von bis zu 250 mm besitzt, abgeschnitten worden. Die Scheibe 14 ist derart abgeschnitten worden, daß die gegenüberliegenden Oberflächen 18 parallel zueinander und lotrecht zur Faserrichtung des Holzes sind. Die Dicke (T) der Holzscheibe wird entsprechend dem besonderen Holztyp und entsprechend der Pelletgröße variieren, aber typischerweise eine Dicke in eine Bereich von 20 mm bis 50 mm haben. Die Scheibe 14 wird eine diametrische Oberfläche haben, vorzugsweise einen Durchmesser von 250 mm oder weniger besitzt. Die Scheibe 14 wird dann auf einen Feuchtigkeitsgehalt von vorzugsweise 20 +/- 5% getrocknet. Jede Scheibe 14 ist ein angrenzendes Stück Holz, das sich in unbearbeitetem Zustand befindet und noch nicht gepreßt worden ist.
Die Pellets 22, 22A, 22B, gezeigt in Fig. 3-7, sind aus den Scheiben 14 hergestellt worden. Die Pellets 22, 22A, 22B sind relativ klein und aus einer Scheibe 14 wurden mehrere hergestellt. Eine typischerweise bevorzugte Größe für ein Pellet 22, 22A, 22B liegt im Bereich von 12 bis 20 mm Durchmesser guer zur Faser des Holzes und einer Länge entlang der Faserrichtung, die dem 1 bis 2,Sfachen Durchmesser entspricht. Die Pellets 22, 2A, 22B sind derart bemessen und geformt, so daß sie leicht und haltbar verpackt, verteilt und in Holzpelletbrennern mit automatischer Beschickung gehandhabt werden können.
In Fig. 8 und Fig. 9 ist die Maschine 24 zur Herstellung der Pellets 22, 22A, 22B aus Holzscheiben 14 mit einem Amboß 26, mit einem röhrenförmigen Pelletgesenk 28, mit einem Pellethammer 30 und einer Scheibenführung 32 gezeigt.
Das Gesenk 28 und Hammer 30 sind wirkungsmäßig mit einem mechanischen Antriebsmechanismus 34 verbunden, fähig, das Gesenk 28 durch die Scheibe 14 zu drücken.
Fig. 11 zeigt das Gesenk 28 mit einer umlaufenden Scheibenaufspaltschneide 36, einer inneren Begrenzungsfläche 38, die sich rückwärtig zu der Schneide 36 befindet und einer abgerundeten Ecke 40 für einen glatten Übergang der Schneide 36 in die Begrenzungsfläche 38. Innerhalb und an der Rückseite der Begrenzungsfläche 38 befindet sich eine vorzugsweise konkav ausgeführte Hammeroberfläche 42.
Die Fig. 12 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Aufspaltschneide 36A, Begrenzungsfläche 38A und Hammeroberfläche 42A in einem einzigen Bauteil 44, das die Funktionen des Gesenks 28 des Hammers 30 besitzt, vereinigt.
Während des Betriebs der Maschine 24 und beim Herstellen der Pellets 22, 22A, 22B wird die gesamte Holzscheibe 14 zwischen das Gesenk 28 und Hammer 30 und Amboß 26 durch die Scheibenzuführung 32 eingeführt. Das Gesenk 28 wird in und durch die Scheibe 14 in der Faserrichtung der Scheibe 14 getrieben, um ein Stück 46, welches in der Scheibe 14 verbleibt und welches eine Länge entlang der Faser besitzt, die ursprünglich gleich der Dicke (T) der Scheibe 14 ist, auszulochen oder auszuspalten. Das Stück 46 wird durch den Amboß 26 und eine vorzugsweise konkave Amboßtasche 48 erfaßt. Wie in Fig. 9 gezeigt, wird der Hammer 30 dann einwärts und gegen das abgespaltene Stück 46 gedrückt. Die Hammeroberfläche 42 wird in Richtung der Amboßoberfläche 48 gedrückt und das Scheibenstück 46 wird radial quer zu seinen Fasern durch die Gehäuseoberfläche 38 gehalten, da die Hammeroberfläche 42 und Amboßoberfläche 48 das Scheibenstück 46 entlang dem Faserverlauf zur Formung des gepreßten Pellets 22, 22A, 22B pressen.
Die Kraft-Kompressions-Kurve ist in Fig. 13 gezeigt, wobei eine Kraft größer als ein "Knie-Wert" 50 aufgebracht werden muß, um mit der Kompression zu beginnen, wonach das Holz entlang einer "Z-Kurve" in einen Bereich verhältnismäßig hoher Massivität komprimiert. Wenn die Kompression einen
Punkt erreicht, an dem die Kompressionskraft zwischen dem Zwei- und Dreifachen des "Knie-Werts" 50 liegt&sub1; ist das Pellet 22, 22A, 22B vollständig komprimiert. Die Kraft und die Kompression ändern sich von Holz zu Holz. Ein weiches Holz, wie Kiefernholz wird typischerweise 5000 bis 6000 N/cm² am Punkt des "Knie-Werts" erfordern und komprimiert auf etwa die Hälfte seiner ursprünglichen Länge. Weiches Hartholz, wie Espen- und Birkenholz, wird typischerweise 4000 bis 6000 N/cm² erfordern und komprimiert auf etwa 45% seiner ursprünglichen Länge. Sehr hartes Holz, wie Eichenholz, benötigt höheren Druck und weist eine geringere Kompression auf. Ungeachtet dessen, besitzt das fertige Pellet ein spezifisches Gewicht im Bereich von 1,2 bis 1,4. Die verschiedenen Kompressionfaktoren werden durch Schneiden dickerer oder dünnerer Scheiben 14 angepaßt, um ungeachtet der verwendeten Holzart eine einheitliche Länge des Pellets 22, 22A, 22B zu produzieren. Für ein relativ kurzes Pellet 22 ist das einstückige Gesenk und Hammer 44 eine wirksame Alternative.
Fig. 9 illustriert mit gestrichelter Linie, wie ein zweites und gegenüberliegendes Gesenk 28A und ein Hammer 30A vorgesehen sind, um von der Scheibe abzuspalten und das Pellet 22 von beiden Enden her, beispielsweise von beiden Seiten der Scheibe 14, zu komprimieren.
Fig. 10 zeigt, wie eine Vielzahl von Gesenken und Matritzen strukturen miteinander in einem hexagonalen, zellartigen Raster 54 zu mehreren Einheiten verschachtelt werden können, welche eine Vielzahl von Pellets 22, 22A, 22B auf einmal aus einer Scheibe 14 machen können. Das Raster 54 kann so bemessen sein, daß ein Teil der Scheibe 14 oder die gesamte Scheibe 14 in einem einzigen Arbeitsspiel bearbeitet werden kann. Der gesamte Vorgang des Stanzens oder Spaltens, Einschließens und der Kompression wird in einem einzigen Arbeitszyklus durchgeführt.
Fig. 14 zeigt eine alternative Maschine 24A zur Herstellung von Pellets, die eine Scheibenführung 32 besitzt, welche die gesamte Scheibe 14 zwischen ein Rollenpaar 56 hinführt. Mindestens eine und vorzugsweise beide Rollen 56 weisen radial angeordnete Taschen 58 auf, welche die Struktur duplizieren und als einstückiges Gesenk und Hammer 44 wirken. Insbesondere besitzt jede Tasche 58 seine eigene Aufspaltkante 36R, Begrenzungsfläche 38R und Hammeroberfläche 42R. Jede Rolle 56 weist eine Länge auf, die größer als der Durchmesser der Scheibe 14 ist, und weist eine Vielzahl von Messern oder Schneiden 60 auf. Wenn die Scheibe 14 zwischen die Rollen 56 eingeführt wird, pressen die Taschen 58 die Scheibe 14 entlang der Faserrichtung zu etwas, das aussieht, wie eine bördelrandartige Linie, wie es durch 148 bezeichnet ist und die Schneiden 60 durchschneiden oder sicken die Scheibe 148 mit Sicken 62, die senkrecht zu den in Fig. 14 gezeigten Kompressionen 64 sind. Die Scheibe 148 tritt in einem Stück aus den Rollen 56 aus und wird dann in eine Separiereinrichtung 66 eingebracht, worin die Scheibe 148 durcheinanderbewegt wird, um in Stücke zu brechen, worauf die Scheibe 1413 vollständig in eine Vielzahl von Pellets 22C zerbricht. Stücke, die kleiner als die Pellets sind, können als alternatives Produkt eingestuft oder als Brennstoff recycelt werden.
-Diese neuartigen Pellets 22, 22A, 22B, 22C werden vorzugsweise durch Kleinmaschinen 24, 24A hergestellt, die lokal erhältliches Holz verwenden und die zu lokalen Kunden geliefert werden, wodurch Distributionskosten signifikant reduziert werden. Diese neuartigen Pellets 22, 22A, 22B, 22C erfordern weniger als 4% Energie zur Herstellung, was etwa einem Viertel der bei der Herstellung von Pellets nach dem Stand der Technik eingesetzten Energie entspricht. Die Gesenke zur Herstellung dieser neuartigen Pellets 22, 22A, 22B, 22C sind nicht dem hohen Druck und der Reibbelastung dem Stand der Technik angehörender Werkzeuge ausgesetzt und halten deshalb länger stand. Dieses neuartige Pellet 22 und das Verfahren stellt eine völlige Abkehr vom Stand der Technik dar. Das Holz wird nicht fragmentiert oder partikuliert, die Scheiben trocknen schnell und ökonomisch ohne zusätzlichen Energieaufwand und sie sind alle von gleicher Form und Größe, wodurch automatische Beschickungseinrichtungen und damit in Verbindung stehendes Zubehör signifikant vereinfacht wird.
Viele weitere Ziele und Vorteile der Erfindung offenbaren sich gegenüber denen des Standes der Technik. Die Nützlichkeit dieser Erfindung ist nicht auf die besonderen oben beschriebenen Beispiele beschränkt. Während sich die vorausgegangene Offenbarung auf die bevorzugte Ausführungsform meiner Erfindung bezieht, sei es zum Ausdruck gebracht, daß ich alle Veränderungen und Modifikationen, zu denen ich berechtigt bin, beanspruche.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Brennstoffpellets aus gepreßtem Holz mit dem Schritt des Abtrennens einer Scheibe von einem langgestreckten Holzstück quer zur Faser des Holzes, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte

- Aufspalten eines Abschnittes längs der Faser des Holzstückes, wobei dieser Abschnitt innerhalb der Scheibe bleibt,

- Begrenzen des Abschnittes der Scheibe in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Faser des Holzstückes und

- Komprimieren des begrenzten Abschnittes längs der Faser des Holzstückes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Komprimierens des begrenzten Abschnittes auf eine Länge von mindestens 40% weniger als die Dicke der Scheibe.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgetrennte Abschnitt eine Längendimension von mindestens dem 1,5-fachen einer Querschnittdimension hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem weiteren Schritt des Trocknens der Scheibe auf einen geringeren Feuchtigkeitsgehalt als der des Holzstückes.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pellet ein spezifisches Gewicht von mindestens 1,2 hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Komprimierens mindestens eines Pelletfaserendes zu einer im wesentlichen konvexen Form.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Aufspaltens, des Begrenzens und des Komprimierens in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgetrennte Abschnitt und alle Fasern darin benachbart bleiben.

9. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Begrenzens des Abschnittes an beiden Seiten der Scheibe.

10. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Komprimierens des begrenzten Abschnittes an beiden Enden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte des Komprimierens des Abschnittes während er an der Scheibe angebracht ist und dann der Abschnitt von dem Rest der Scheibe abgetrennt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verändem der Scheibendicke umgekehrt proportional zur Kompressibilität des Holzes.

13. Maschine zur Herstellung von Brennstoffpellets aus gepreßtem Holz, gekennzeichnet durch eine rings umlau fende Aufspaltschneide (36) zum Aufspalten eines Abschnittes einer Holzscheibe (14), eine nach innen gerichtete rings umlaufende Begrenzungsfläche (38) hinter der Aufspaltschneide zum Begrenzen des aufgespaltenen Abschnittes in einer Richtung im wesentlichen quer zur Faser des aufgespaltenen Abschnittes,

eine Kompressionshammerfläche (42) hinter der Begrenzungsfläche, die gegen die begrenzte Endfaser des aufgespaltenen Abschnittes in Eingriff bringbar ist, eine Amboßfläche (48), die der Hammerfläche gegenuberliegt und mit der entgegengesetzten Endfaser des aufge spaltenen Abschnittes in Eingriff bringbar ist,

einen Mechanismus, der die Hammerfläche und die Amboß fläche aufeinanderzudrückt, um den aufgespaltenen Abschnitt längs der Faser des Holzes und innerhalb der Begrenzungsfläche zu komprimieren, und eine Scheibenzufuhreinrichtung (32) zum Zuführen der kompletten Scheibe zu der Aufspaltschneide.

14. Brennstoffpelletmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt einer Vielzahl von Aufspaltschneiden sechseck-zellartig ist.

15. Brennstoffpelletmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspaltschneide radial außerhalb der Begrenzungsfläche liegt.

16. Brennstoffpelletmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspaltschneide (36R), die Begrenzungsfläche (38R) und der Hammer (42R) in einem drehbaren Rad (56) untergebracht sind.

17. Komprimiertes Brennstoffpellet aus Holz, das aus einer von einem Baumast oder Baumstamm abgetrennten Scheibenabschnitt aufgespalten ist, gekennzeichnet durch eine durchgehende Holzfaser, die sehr nahe an einen ur sprünglichen Querschnitt durch die Faser angrenzt und die längs der Faser um mindestens 40% zu einem spezifischen Gewicht von mindestens 1,2 komprimiert ist.

18. Brennstoffpellet nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß es ein durchgehendes Holzstück ist, das niemals partikuliert wurde.

19. Brennstoffpellet nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Pellet eine Länge in Faserrichtung hat, die im Bereich von 40 bis 60% der Scheibendicke liegt.

20. Brennstoffpellet nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Vielfalt von Pellets aus unterschiedlichen Hölzern mit derselben Länge in Faserrichtung, wobei die Dicke der Scheiben umgekehrt proportional zur Kompressibilität des Holzes variiert ist.