6 Schlussfolgerung

Durch die Entwicklung einer neuen Generation von Hoch-leistungs-Dekantierzentrifugen (HSD), den Prodecantern,und dem gleichzeitigen Einsatz katalytischer Mengen vonEnzym ist es gelungen, den traditionellen Prozess der Soja-Isolat-Gewinnung deutlich zu verbessern. Dabei wird mithohen Feststoffgehalten gearbeitet und auf Entschäumerbei der Extraktion völlig verzichtet. Die Reinheit des so er-zeugten Isolates erreicht 92 %. Die Proteinausbeute liegt mit80 % deutlich über der des traditionellen Verfahrens. Damitreduzieren sich der Rohstoffeinsatz um 25 % und der Was-ser- und Energieverbrauch um bis zu 80 %, ohne die be-kannte Qualität der Soja-Isolate zu verändern.

Eingegangen am 31. Juli 2001 [K 2942]

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Untersuchungen zur Trocknungvon Holzspänen mit Dampf

T I M O N G R U B E R * U N D A N D R E A S E I R I C H

1 Problemstellung

Zur Herstellung von Holzwerkstoffen gehören die Verfah-rensschritte Zerkleinern, Trocknen, Beleimen und Pressen.Dabei werden etwa 66 % der gesamt benötigten Energie fürdie Trocknung aufgewendet [1]. Dieser Anteil variiert ent-sprechend den gewünschten Eigenschaften des Endpro-dukts wie beispielsweise Dicke der Platte oder Dichte, etc.Insgesamt wurden in Europa 1999 etwa 42 Mio. m3 Span-und Faserplatten hergestellt [2]. Allein in Deutschlandwerden derzeit 9,5 Mio. m3 Spanplatten pro Jahr produziert,die etwa 5 bis 5,5 Mio. t Holz enthalten [3, 4]. Daraus ergibtsich ein Energieverbrauch von schätzungsweise 3,5 bis

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

* Dr.-Ing. T. G R U B E R , Cand.-Ing. A . E I R I C H ,Fraunhofer-Institut für HolzforschungWilhelm-Klauditz-Institut,Bienroder Weg 54 E,D-38108 Braunschweig.

W I S S E N S C H A F T L I C H E K U R Z M I T T E I L U N G E N160Chemie Ingenieur Technik (74) 1-2 | 2002

S. 160±164 � WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim, 20020009-286X/2002/1-201-160 $17.50+50/0

5 GWh/Jahr, der für die Heiûgaserzeugung zur Trocknungder Holzspäne benötigt wird.

Beim Trocknungsprozess werden aus dem zer-kleinerten Holz organische Substanzen und Partikel freige-setzt, die in den Brüden enthalten sind. Zusätzlich werdendurch den Einsatz von Brennstoffen zur HeiûgasgewinnungEmissionen erzeugt. Die Brüden enthalten geruchsintensiveBestandteile, die zu erheblichen Auflagen und Betriebsein-schränkungen führen können.

Bislang werden zur Holzspänetrocknung so ge-nannte Durchlaufsysteme eingesetzt. Dabei nimmt die ein-gesetzte Trocknungsluft im Trockner den Brüden auf undwird nach entsprechender Reinigung über den Kamin in dieUmgebung emittiert. Am Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI)in Braunschweig wurden zunächst im Rahmen eines AiF-Vorhabens orientierende Untersuchungen zur Späne-trocknung im Labor durchgeführt [3]. Im Technikumsmaû-stab wurde anschlieûend im Jahre 1995 ein Dampf-trocknungssystem für Holzspäne im Rahmen eines Projektsdes Bundesministeriums für Bildung und Forschung(bmb+f) gemeinsam mit der SwissCombi W. Kunz DryTecAG weiterentwickelt [3, 5]. Im April 1999 wurde abschlie-ûend eine industrielle Groûanlage entsprechend modifiziertund in Betrieb genommen [4]. Die laufenden Untersuchun-gen werden vom bmb+f unter dem Förderkennzeichen0339855/1 unterstützt.

2 Grundlagen der Trocknung

Ziel der Trocknung ist es, das in dem Feststoff enthalteneWasser zu verdampfen. Anschlieûend muss das verdampfteWasser (Brüden) vom Feststoff abtransportiert werden. Beider untersuchten thermischen Trocknung wird die erforder-liche Verdampfungsenergie durch heiûes Gas auf den Fest-stoff (Holzspäne) übertragen. Der Energietransport erfolgtfast ausschlieûlich durch Konvektion des Gases. Diese Kon-vektion bewirkt auch den Abtransport der Brüden von derFeststoffoberfläche.

Wird Dampf als Trocknungsmedium eingesetzt,muss die Temperatur der Gasphase immer oberhalb desSiedepunktes von Wasser liegen. Bei den vorliegenden Pro-zessbedingungen von 1 bar liegt dieser bei etwa 100 �C. DieAustrittstemperaturen bei technischen Trocknern werdendaher immer deutlich über 100 �C gehalten.

Aus experimentellen Untersuchungen ist be-kannt, dass die Geschwindigkeit der Trocknung mit sinken-der Feuchte im Trockengut abnimmt [6]. Entsprechend wur-den zwei Trocknungsabschnitte über den zeitlichen Verlaufdefiniert. Der erste Trocknungsabschnitt ist dadurch ge-kennzeichnet, dass innerhalb des Feststoffs noch sovielFeuchtigkeit enthalten ist, das Hemmungen des Trock-nungsvorgangs in der Gasphase, also oberhalb der Feststoff-oberfläche zu suchen sind. Im zweiten Trocknungsabschnittwird der Trocknungsvorgang im Wesentlichen durch Trans-portvorgänge im Inneren des Feststoffs gehemmt. Verein-fachend existiert die Vorstellung, dass eine schrumpfendeinnere Oberfläche ausgebildet wird, an der das Wasser ver-dampft wird.

3 Ablauf der Trocknung

Im Folgenden sind die Vorgänge und Modellvorstellungenzur Trocknung der Holzspäne mit einer Anfangsfeuchte von50 % auf eine Endfeuchte von 2 % mit Dampf von über100 �C dargestellt. Dabei ist die Feuchte als der Anteil desWassers an der Gesamtmasse des feuchten Holzes definiert.

Vor der Trocknung wird bei den eingesetztenHolzspänen ein Feuchteanteil von etwa 50 % gemessen. DieFeuchte wird als homogen über das ganze Volumen desSpans verteilt angenommen. Nach K R Ö L L [7] ist bei Holz dasWasser in unterschiedlichen Formen gebunden. FrischesSchnittholz weist etwa 4 % chemisorptiv, 10 % adsorptiv und20 % durch Kapillarkondensation gebundenes Wasser auf[7]. Die restlichen 26 % sind als Oberflächenwasser an dieSpäne gebunden.

Bei der Trocknung mit Dampf (>100 �C) erfolgtbeim Kontakt mit dem Feststoff (Span) eine Kondensationan der Oberfläche. Dies hat zur Folge, dass an der Spanober-fläche ein Flüssigkeitsfilm entsteht. Durch die freigesetzteKondensationsenergie erfolgt eine beschleunigte Erwär-mung des Feststoffs. Weiterhin verstärkt der Flüssigkeits-film auf der Spanoberfläche den Wärmeübergang zwischenGasphase und Feststoff. Dadurch ist der Energieeintrag grö-ûer als bei der Trocknung mit trockner Luft.

Im ersten Trocknungsabschnitt, der sich unmit-telbar an die Kondensationsphase anschlieût, werden dieSpäne bis zur Siedepunktstemperatur von Wasser erwärmt[8]. Bei diesem Vorgang bleibt die Trocknungsgeschwindig-keit nahezu konstant. Dieser Abschnitt endet etwa dann,wenn Oberflächen- und Kapillarwasser entfernt sind.

Im zweiten Trocknungsabschnitt erfolgt eine wei-tere Erwärmung der Späne, wobei die Gastemperatur theo-retisch als Maximalwert angenommen werden kann. DieserAbschnitt zeichnet sich durch eine sinkende Trocknungs-geschwindigkeit aus. Bei hygroskopischen Gütern wird einanschlieûender dritter Trocknungsabschnitt definiert. Erbasiert darauf, dass hygroskopische Güter bei normalerUmgebung (Luft) eine bestimmte Feuchte aufweisen. Erzeichnet sich dadurch aus, dass die Trocknungsgeschwin-digkeit weiter absinkt [7]. Wird hygroskopisches Trockengutauf Feuchtegrade unterhalb der Gleichgewichtsfeuchte ge-trocknet, steigt nach Beenden des Trocknungsvorgangs dieFeuchte wieder an. Bei Schnittholz, das in Freiluft getrock-net wurde, liegt die Gleichgewichtsfeuchte zwischen 14 %und 20 % [8].

4 Trocknungsgeschwindigkeit

Am WKI wurden Untersuchungen zur Trocknungsge-schwindigkeit bei Holzspänen durchgeführt [9]. Dabei er-folgten Versuche mit trockener Luft, feuchter Luft und mitDampf (>100 �C) in einem Trockenschrank.

Es wurde die mittlere Trocknungsgeschwindig-keit für Kieferspäne bestimmt, die von einer Feuchte von41 % auf 1 % getrocknet wurden. Dabei wurde die Tempera-tur des eingesetzten Trocknungsmediums zwischen 75 �Cund 200 �C für die einzelnen Versuche variiert. Die Feuchte-

T r o c k n u n g 161Chemie Ingenieur Technik (74) 1-2 | 2002

beladung der Trocknungsluft wurde 0,2bzw. 0,4 kgH20/kgLuft gewählt. Die ermit-telten Ergebnisse sind in Abb. 1 dar-gestellt.

Grundsätzlich steigt die Trock-nungsgeschwindigkeit bei Erhöhung derTemperatur des Trocknungsmediums.Für Temperaturen unter 220 �C liegt dieTrocknungsgeschwindigkeit für trockeneLuft deutlich oberhalb derjenigen, die fürDampf ermittelt wurde. Durch Extrapola-tion der Kurven wird jedoch ersichtlich,dass oberhalb von 200 �C die Geschwin-digkeit bei der Dampftrocknung höher istals bei der Lufttrocknung [3, 9]. DieseTemperatur wird Inversionstemperaturgenannt.

In der Anlage zur Trocknungvon Holzspänen mit Dampf wird eineDampfeintrittstemperatur von über350 �C in das vorgeschaltete Strom-Trocknerrohr ange-strebt. Dadurch können hohe Durchsatzleistungen erreichtwerden.

5 Spänetrocknung mit Dampf

Die grundsätzlichen Untersuchungen zur Dampftrocknungwurden am Trockenschrank, der batchweise betrieben wird,durchgeführt. Zur industriellen Trocknung von Spänen isteine Anlagentechnik mit kontinuierlichem Betrieb erforder-lich. Als erste Erprobungsstufe für die kontinuierlicheDampftrocknung von Holzspänen wurde 1995 im WKI einePilotanlage im Technikumsmaûstab errichtet. Diese kannetwa 200 kg/h Nassspäne trocknen. Sie diente der techni-schen Auslegung und Erprobung der erforderlichen neuar-tigen Komponenten wie beispielsweise Wärmetauscher,Kondensator und thermische Brüdenbehandlung. In Abb. 2ist das Flieûbild der Technikumsanlage dargestellt.

Bei diesem Verfahren wird das gasförmige Trock-nungsmedium im Kreis geführt und lediglich ein Teil ausge-schleust. Dieser ausgeschleuste Teil wird anschlieûend indie Brennkammer geführt, dort erfolgt dann die thermischeNachbehandlung der ausgeschleusten Brüden.

6 Messungen zum Trocknungsprozess

Im sogenannten Kreisgas ± der Kreisführung der Brüdenmit Wiederaufheizung im Wärmetauscher ± erfolgt eine An-reicherung von Dampf. Durch diese Verfahrensführungkann eine vergleichsweise hohe Wasserbeladung im Gas in-nerhalb des Trocknerdrehrohres erreicht werden. Dabeiwird die Austrittstemperatur am Drehrohrtrockner mit130 �C immer deutlich oberhalb des Wassersiedepunktes ge-halten.

Die Anreicherung der Brüden im Kreisgas be-wirkt einen verbesserten Wärmeübergang. Dadurch kanndie Verweilzeit der Späne in der Trommel verringert und dieVerdampfungsleistung um etwa 15 % gesteigert werden. Beianderen Trockengütern, wie beispielsweise Braunkohleoder Rübenschnitzeln, wird die Trocknung mit überhitztemDampf ebenfalls erfolgreich eingesetzt [3].

Dadurch, dass die Rauchgase nicht das Trock-nungsmedium ¹verdünnenª, wie es bei konventionellen Di-rekttrocknern üblicherweise erfolgt, werden die Holzspänemit nahezu reinem Wasserdampf getrocknet. Aus den er-reichten Taupunkten von bis zu 90 �C wird ersichtlich, dassdas Kreisgas relativ gering mit Fremdluft verdünnt wird.

Abbildung 1.Mittlere Trocknungsgeschwindigkeit für Kieferspäne.

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

50 100 150 200 250

Gastemperatur (gastemperature)

mitt

lere

Tro

cknu

ngsg

esch

win

digk

eit

(m

ediu

m d

ryve

loci

ty)

trockene Luft (dry air)

x = 0.2

x = 0.4

Dampf (steam)

kg / m² h

°C

Abbildung 2.Pilotanlage zur Dampftrocknung von Holzspänen.

Abbildung 3.Taupunkt und O2-Anteil im Kreisgas der Dampftrocknung inUelzen.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Taupunkttemperatur (temperature of dewpoint)

O2-

Ant

eil i

m fe

ucht

en G

as (

volu

met

risch

)(o

xige

npor

tion

of w

et g

as, v

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tile)

%

°C

Messwertemeasurements

Berechnungcalculated

W I S S E N S C H A F T L I C H E K U R Z M I T T E I L U N G E N162Chemie Ingenieur Technik (74) 1-2 | 2002

Die wesentliche Fremdluftquelle stelltnaturgemäû die Späneeinspeisung dar.

Im Normalbetrieb (stationärerZustand) werden Taupunkttemperaturenvon 85 ± 90 �C und ein O2-Anteil von 6 ± 8% im Kreisgas erreicht. Sowohl beimAnfahr- als auch Abfahrbetrieb werdendurch die geringere Brüdenbeladungniedrigere Taupunkttemperaturen undhöhere Sauerstoffanteile gemessen (s.Abb. 3).

Der Anteil von Drittkompo-nenten im Kreisgas ist vernachlässigbargering, da die Messwerte gut mit denWerten für reines Dampf/Luft-Gemischaus der Literatur [10] übereinstimmen.Die im Kreisgas ermittelten Messwertesind als Quadrate und die Literaturwerteals Linie dargestellt.

7 Bilanzierung

Vor dem Umbau wurden in Uelzen dieSpäne in einem direkt beheizten Trock-ner behandelt. Bei dieser Trocknungs-technologie wird mit einem Brenner hei-ûes Abgas erzeugt, das gemeinsam mit den Spänen in einDrehrohr eingespeist wird. Im Drehrohr geben die erwärm-ten Späne ihre Feuchtigkeit ab. Die Späne werden mit demGas aus dem Drehrohr ausgetragen und anschlieûend durchZyklone von den Brüden getrennt. Rauchgas und Brüdenwerden abschlieûend durch den Kamin an die Umgebungabgegeben.

Nach dem Umbau werden die Späne im Trock-nerdrehrohr nicht mehr mit dem Rauchgas der Feuerungbeaufschlagt. Die heiûen Abgase der Feuerung werdenstattdessen durch einen Gas/Gas-Wärmetauscher geführt.In diesem wird die Wärme auf das gasförmige Trägerme-dium (Kreisgas) übertragen. Das so erwärmte Kreisgasnimmt im Drehrohr die von den Spänen abgegebene Feuch-tigkeit auf. Anschlieûend wird das Kreisgas in den Zyklonenvon den Spänen gereinigt und dem Wärmetauscher zur er-

neuten Aufheizung zugeführt. Ein Teil des Kreisgases (etwa10 %) wird in die Brennkammer ausgeschleust. Dort werdenalle Inhaltstoffe verbrannt. Anschlieûend werden die Ab-gase über den Wärmetauscher dem Kamin zur Abgabe indie Umgebung zugeführt.

Die Massen- und Energieströme in der Groûanla-ge für den Verfahrensablauf vor dem Umbau (Durchlauf-trockner mit Luft) und nach dem Umbau (Kreisgastrocknermit Dampf) sind in Abb. 4 vergleichend dargestellt. Um eineVergleichsbasis zu erhalten, wurden die gemessenen Werteauf einen Nassspan-Input von 30 t/h bezogen. In der Bilan-zierung sind die Vorgänge in Trockner, Feuerung, Wärme-tauscher und Kondensator berücksichtigt worden.

Grundlage der Bilanzrechnungen bilden die Pha-senänderungen im Drehrohrtrockner und die chemischenReaktionen in der Feuerung. Für die oben dargestellten Bi-lanzmodelle ergeben sich aus grundsätzlichen theoretischenBetrachtungen die folgenden Massen- und Energieströme.Die eingesetzte Zusatzluft wurde an Messwerten der Anlagein Uelzen orientiert. Tab. 1 zeigt die Rechenergebnisse.

Aus der Bilanz wird deutlich, dass nach dem Um-bau wesentlich weniger Frischluft eingesetzt wird. Folglichverringert sich der Abgasstrom auf etwa 50 % durch denUmbau. Da die Abgastemperatur etwa gleich bleibt, sinktsomit auch der Energieverlust der Anlage. Aus der theoreti-schen Betrachtung mit dem Modell ist eine Energieeinspa-rung von etwa 7 % möglich.

8 Gemessene Emission

Der Umbau der Groûanlage ± Umstellung auf Dampftrock-nung ± hatte eine wesentliche Verbesserung der Emissionen

Abbildung 4.Bilanzmodelle für den Trockner vor und nach dem Umbau.

Vor Umbau Du rchl auft rockne r(before the conversion continuous dryer)

Nassspäne (wet chips) Trockenspäne(dry chips)

Falschluft (additional air drying and infiltrated air)Trockneranlage Abluft

Brennerluft (combustion air) hot gas (drying plant) (waste gas)Feuerung

Brenngas (fuel gas) (firing)Wasserdampf(water gaseous)

Nassspäne (wet chips) Trockenspäne (dry chips)Trockner

Falschluft (additional air drying and infiltrated air) (dryer)Abluft

circulation gas Kamin (waste gas)(chimney)

Brennerluft (combustion air) hot gas WasserdampfFeuerung heat gas (water gaseous)

Brenngas (fuel gas) (firing) exchanger

Kondensator(condensor)

Ausschleusegas (discharge gas)

Wasser (water)

Nach Umbau Kreisgastrockne r(after the conversion circulation gas dryer)

Tabelle 1.Massenströme und Energiebedarf für den Trocknungsprozess(berechnet).

Input Vor UmbauDurchlauftrockner

Nach UmbauKreisgastrockner

Nassspäne 30,000 kg/h 30,000 kg/h

Brennerluft 17,406 kg/h 16,546 kg/h

Trocken u. Falschluft 49,780 kg/h 18,102 kg/h

Brenngas 967 kg/h 919 kg/h

Output

Trockenspäne 16,294 kg/h 16,294 kg/h

Abgas trocken 65,977 kg/h 33,499 kg/h

Dampf und Kondensat 15,882 kg/h 15,774 kg/h

Spezifischer Energiebedarf 900 kWh / tH2O 846 kWh / tH2O

T r o c k n u n g 163Chemie Ingenieur Technik (74) 1-2 | 2002

durch die integrierte Brüdenbehandlung zur Folge (s.Abb. 5). Die Halbierung des Abluftvolumenstroms bewirkteine Energieeinsparung von etwa 10 % und übertrifft damitden vorhergesagten Wert von 7 %. Dies ist durch eine höhe-re Durchsatzleistung des Drehrohrs erklärbar. Hierdurchsinken die Strahlungsverluste der Anlage bezogen auf denDurchsatz.

Die Staubemission verringert sich bei der Anlageum über 99 %. Bei den Kohlenwasserstoffen wurde eineReduktion von über 98,5 % und bei Kohlenmonoxid vonüber 90 % erreicht. Diese Verbesserungen resultieren ausder Umstellung auf den Trocknungsprozess mit integrierterBrüdenbehandlung.

Eine Färbung der Abluftfahne ± blue haze ± istnach dem Umbau nicht mehr erkennbar. Diese war in Zu-sammenhang mit der Geruchsbelastung vor dem Umbauder wesentliche Grund für Betriebseinschränkungen. Mitt-lerweile ist statt eines 5-Tage-Betriebs ein durchgehenderBetrieb möglich. Durch diese Verfahrensverbesserung istsomit eine Steigerung der nutzbaren Anlagenkapazität umetwa 30 % durch optimierte Auslastung der installierten Ka-pazität möglich.

9 Ausblick

An der Groûanlage Uelzen konnte die erhoffte Emissions-minderung durch den Umbau der Anlage auf die Trocknungmit Dampf (Kreisgastrockner) erreicht werden. Die Ener-gieeinsparung stellt für den Betreiber einen wesentlichenwirtschaftlichen Vorteil dar. Sowohl Kapazitätssteigerungals auch die mittlerweile nachgewiesene Betriebssicherheitüberzeugte den Anlagenbetreiber. An einem weiteren

Standort entsteht eine neue Anlage, die in Kürze in Betriebgehen wird.

Die aktuellen Untersuchungen werden im Verbundvorhabendurchgeführt, die vom bmb+f unter dem Kennzeichen0339855/1 gefördert werden.

Eingegangen am 18. Juli 2001 [K 2910]

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Abbildung 5.Reduktion der Emissionsfrachten durch geänderte Trocknung.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

CO

Staub (particles)

Cges (VOC)

NOx

Abluftvolumen (waste gas)

Gasverbrauch (fuel gasconsumption)

kg/t or m³/kg

emission in kg per tdry chips, gasconsumption in m³ per kgH2O, waste air volume in m³ per kgdry chips

before modification (black)

after modification (grey)

W I S S E N S C H A F T L I C H E K U R Z M I T T E I L U N G E N164Chemie Ingenieur Technik (74) 1-2 | 2002