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Dokumentenidentifikation DE10052498A1 02.05.2002
Titel Verfahren zur Herstellung von Zucker aus Zuckerrohr
Anmelder Balcke-Dürr Service GmbH, 46049 Oberhausen, DE
Erfinder Morgenroth, Boris, 42489 Wülfrath, DE;
Niepoth, Klaus, 47495 Rheinberg, DE;
Töbe, Peter, 76307 Karlsbad, DE
Vertreter Stenger, Watzke & Ring Patentanwälte, 40547 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 23.10.2000
DE-Aktenzeichen 10052498
Offenlegungstag 02.05.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.05.2002
IPC-Hauptklasse C13D 1/00
IPC-Nebenklasse F26B 3/02   
Zusammenfassung Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung von Zucker aus Zuckerrohr. Der im Rahmen der Verfahrensdurchführung anfallenden Zuckerbagasse wird zumindest ein Teil der darin enthaltenen Feuchte durch Trocknung entzogen. Um ein Verfahren zur Herstellung von Zucker aus Zuckerrohr zu entwickeln, welches sich durch eine verbesserte Energiebilanz auszeichnet, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß die Trocknung der Zuckerbagasse mittels überhitztem Wasserdampf erfolgt. Vorzugsweise wird die getrocknete Zuckerbagasse als Brennstoff der Befeuerung eines Dampfkessels zugeführt, und mittels des energiereichen Dampfes des Dampfkessels wird der für die Trocknung der Zuckerbagasse benötigte überhitzte Dampf erzeugt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zucker aus Zuckerrohr, bei dem der im Rahmen der Verfahrensdurchführung anfallenden Zuckerbagasse zumindest ein Teil der darin enthaltenen Feuchte durch Trocknung entzogen wird.

Bei den in der Praxis angewendeten Verfahren zur Herstellung von Zucker aus Zuckerrohr wird die anfallende Zuckerbagasse mittels Heißluft oder Kesselrauchgasen getrocknet, um die so getrocknete Zuckerbagasse anschließend als Brennstoff für die Dampferzeugung zu nutzen. Ein solches Verfahren ist jedoch energieintensiv und nutzt den Energieinhalt der Zuckerbagasse nur unvollständig aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Zucker aus Zuckerrohr zu entwickeln, welches sich durch eine verbesserte Energiebilanz auszeichnet.

Zur Lösung wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, daß die Trocknung der Zuckerbagasse mittels überhitztem Wasserdampf erfolgt. Hierbei wird die getrocknete Zuckerbagasse z. B. als Brennstoff der Befeuerung eines Dampfkessels zugeführt, und mittels des energiereichen Dampfes des Dampfkessels wird der für die Trocknung der Zuckerbagasse benötigte überhitzte Dampf erzeugt.

Vorgeschlagen wird des weiteren, daß der überhitzte Wasserdampf in einem Wärmetauscher sekundärseitig erzeugt wird, der primärseitig mit Wasserdampf eines Dampfkessels beheizt wird.

Des weiteren wird vorgeschlagen, daß der überhitzte Wasserdampf der Abdampf einer Anzapfturbine ist.

Des weiteren wird vorgeschlagen, daß der im Trockner durch den Trocknungsprozeß entstehende Überschußdampf abgezogen und als Prozeßdampf zur Beheizung nachgeschalteter Verfahrensstufen bei der Zuckergewinnung eingesetzt wird.

Des weiteren wird vorgeschlagen, daß die getrocknete Zuckerbagasse konditioniert oder unkonditioniert einer Aufbereitung und Verfeuerung oder einem "Biomass Integrated Gasifier Combined Cycle Process" (BIGCP) zugeführt wird.

Des weiteren wird vorgeschlagen, daß der für die Trocknung nicht verwendete Dampf des Dampfkessels in eine Gegendruck- oder eine Kondensationsturbine zur Stromerzeugung geleitet wird.

Der Vorteil der mittels überhitztem Dampf getrockneten Zuckerbagasse liegt neben dem geringen Gehalt an Restfeuchte darin, daß es für die anschließende Verwendung der Bagasse als Brennstoff nicht erforderlich ist, die Bagasse auf Verbrennungstemperatur anzuwärmen. Des weiteren wird die Energiemenge eingespart, die zur Verdunstung des in der ungetrockneten Zuckerbagasse enthaltenen Wassers notwendig ist.

Die nach der Extraktion des Zuckers anfallende Zuckerbagasse wird zunächst in sogenannten mechanischen "Mühlenstraßen", die nach dem Prinzip von Walzenpressen arbeiten, auf einen Trockensubstanzgehalt von ca. 50% mechanisch abgepreßt. Die Extraktion kann auch in sogenannten Gegenstromextrakteuren erfolgen. Zuckerbagasse, die aus Diffuseuren ausgeführt wird, weist einen wesentlich höheren Feuchtegehalt auf, als im Falle von Mühlenstraßen. Hier ist der Einsatz von Entwässerungsmühlen notwendig, um einen für die spätere Verbrennung als Brennstoff sowie für eine ausreichende Dampferzeugung notwendigen Trockensubstanzgehalt der Zuckerbagasse zu erreichen. Erhebliche Investitionen können vermieden werden, wenn, wie dies bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Fall ist, der Trockensubstanzgehalt der Bagasse geringer sein darf, ohne die Dampferzeugung zu beeinträchtigen.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Trocknung unter Verwendung überhitzten Dampfes beruht auf der Eigenschaft von überhitztem Wasserdampf, Wasser bis zur eigenen Sättigungstemperatur aufnehmen zu können, wobei sich der überhitzte Dampf theoretisch bis auf die Sattdampflinie abkühlen kann. Bei Einsatz von Wasserdampf erfolgt ein wesentlich schnellerer konvektiver Wärmetransport, als bei der Trocknung mittels Luft- oder Kesselrauchgasen, so daß der Trocknungsvorgang wesentlich effizienter abläuft. Grundsätzlich besteht ein Dampftrockner aus einem Behälter, in den über eine Schleuse das zu trocknende Gut eingebracht wird. Die Trocknung erfolgt innerhalb des Behälters in einer mittels Ventilatoren erzeugten Wirbelschicht, wobei eine innige Verwirbelung des Dampfes innerhalb des Trocknungsgutes und damit eine schnelle und gleichmäßige Trocknung erreicht wird. Der Auftrag des Trocknungsgutes aus dem Behälter des Trockners erfolgt über eine Schleuse. Der in den Behälter geleitete, überhüzte Wasserdampf nimmt die Feuchtigkeit aus der zu trocknenden Bagasse auf. Für den Betrieb wird Wasserdampf auf einem Druckniveau benötigt, welches die Wärmeübertragung mittels Wärmetauscher auf das produktseitig im Behälter zirkulierende, überhitzte Trocknungsmedium übertragen kann.

Bei der Verdunstung des Wassers aus der zu trocknenden Bagasse entsteht zusätzlicher Wasserdampf, der in geeigneter Weise aus dem Behälter des Trockners abgezogen wird. Dieser Überschußdampf ist ein hervorragender Wärmeträger, der im Rahmen der Zuckergewinnung zur Beheizung einer Verdampfanlage eingesetzt werden kann. Das Trocknen mittels überhitzten Wasserdampfes ist in der Zuckerindustrie deshalb interessant, da auf die Trocknung der Zuckerschnitzel mittels Luft oder Kesselrauchgasen, d. h. unter Einsatz indirekter oder durch eine Zusatzfeuerung erfolgendem direkten Einsatz von Primärenergie, verzichtet werden kann. Der erzeugte Kesselabdampf wird aus z. B. einer Anzapfdampfturbine oder einer separaten Gegendruckturbine auf einer Druckstufe von vorzugsweise zwischen 4 und 20 bar einem Wärmetauscher zugeführt. Der Wärmetauscher überträgt diesen Wärmestrom auf das einen geringeren Sättigungsdampfdruck aufweisende Trocknungsmedium. Der durch Entweichen des Wassers aus dem Trocknungsmedium entstehende Überschußdampf wird zur Beheizung der Verdampfanlage der Zuckerfabrik eingesetzt. Infolge des Verzichts auf eine Hochtemperaturtrocknung mittels Luft und/oder Rauchgasen ist der Brennstoff dieses Prozesses erheblich reduziert. Infolge der Trocknung mittels überhitztem Dampfes wird die bei einer bestimmten Dampfmenge theoretisch in einer Gegendruckturbine erzeugbare Strommenge reduziert.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß, anders als bei der Gewinnung von Zucker aus Zuckerrüben, die nach der Zuckerextraktion von Zuckerrohr erhaltenen Mengen an Zellulose ausreichen, um eine Rohrzuckerfabrik mit einer Heißdampfmenge von ca. 40% bis 60%, bezogen auf die Menge des in den Prozeß eingeführten Zuckerrohres, zu versorgen. Denn während der vorwiegend aus Zellulose bestehende brennbare Anteil bei Zuckerrüben nur bei ca. 3 bis 5%, bezogen auf die Rübenmasse, liegt, erreicht dieser brennbare Anteil bei Zuckerrohr ca. 8 bis 15%. Infolge dieses hohen Anteils an brennbaren Bestandteilen läßt sich eine Rohrzuckerfabrik hinsichtlich ihrer Energiebilanz weitgehend autonom und unter Vermeidung des Einsatzes fossiler Brennstoffe betreiben.

Zur Erläuterung sei darauf hingewiesen, daß der "fiberhaltige", d. h. zellulosehaltige Rückstand der Extraktion des Zuckerrohres als Bagasse oder auch Megasse bezeichnet wird. Trockene Bagasse enthält ca. 48% Kohlenstoff, 48% Sauerstoff und im übrigen Wasserstoff sowie nicht brennbare Bestandteile.

Die für den Betrieb einer Rohrzuckerfabrik notwendige Dampfmenge beträgt 20 bis 50%, bezogen auf das in den Prozeß eingeführte Zuckerrohr. Bei einem Zellulose-Fiber-Gehalt des Zuckerrohrs von 8 bis 15% beträgt die Menge an zu verdampfendem Wasser in der Bagasse bei einem Trockensubstanzgehalt der Bagasse von 30 bis 50% ca. 8 bis 35%, bezogen auf die in den Prozeß eingeführte Menge an Zuckerrohr. Für die Anwärmung und Verdampfung wird in Abhängigkeit von der gewünschten Endfeuchte des Trocknungsgutes und unter Berücksichtigung einer Nachentspannung (zusätzliche Wasserverdampfung) des aus dem Trockner austretenden Trocknungsgutes die ca. 1,3 bis 1,5-fache Heißdampfmenge im Verhältnis zur Wasserverdampfung des Trockners benötigt. Dies bedeutet, daß die benötigte Prozeßdampfmenge für den Betrieb des Trockners zwischen 10 und 53% bezogen auf die eingesetzte Menge an Zuckerrohr beträgt. Damit wird deutlich, daß die für den nachgeschalteten Prozeß der Zuckerherstellung zur Verfügung stehende Dampfmenge sehr stark von dem Fibergehalt des Zuckerrohrs, d. h. dessen Anteil an Zellulose, abhängig ist. Durch die Wahl hinsichtlich ihres Fibergehaltes geeigneter Zuckerrohrqualitäten sowie durch eine Optimierung der Prozeßparameter bei der Entwässerung der Zuckerbagasse durch mechanische Abpressung sowie durch die Festlegung des Prozeßdampfbedarfes der Zuckerfabrik läßt sich ein geeignetes Optimum für den Betrieb der Gesamtanlage finden.

Der Brennwert von getrockneter Bagasse mit einem Trockensubstanzgehalt nahe 100% liegt bei ca. 19 MJ/kg. So liegt z. B. die mit einem modernen Dampfkessel mit 90 bar Dampfdruck erzeugbare Dampfmenge zwischen 46 und 86%, bezogen auf die in den Prozeß eingeführte Menge an Zuckerrohr. Die verfügbare Dampfmenge (46 bis 86 kg/100 kg Zuckerrohr) übersteigt die für die Trocknung notwendige Dampfmenge (10 bis 53 kg/100 kg Zuckerrohr), so daß nur ein Teil des Kesselabdampfes zur Trocknung eingesetzt wird, während der Überschußdampf in einer Gegendruckturbine oder einer Kondensationsturbine entspannt werden kann. Bei Einsatz von mit 90 bar arbeitenden Dampfkesseln und modernen Gegendruckturbinen, die mit ca. 5 kg Dampf/kWh arbeiten, können dementsprechend zwischen 9 und 17 kW je 100 kg in den Prozeß eingeführten Zuckerrohres gewonnen werden, sofern der Abdampf vollständig in einer Gegendruckturbine entspannt wird. Die installierte Turbinenleistung würde dementsprechend bei ca. 37 bis 71 MW für eine Zuckerfabrik mit 10.000 t/Tag Verarbeitungskapazität liegen. Der Eigenstrombedarf dieser Zuckerfabrik würde ca. 5 bis 10 MW betragen.

Der gewonnene Überschußstrom kann verkauft werden und z. B. in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Bei Verwendung eines mit nur 30 bar arbeitenden Dampfkessels halbiert sich zwar die mögliche Stromerzeugung in etwa, liegt aber immer noch erheblich über dem Eigenbedarf der Fabrik. Abhängig vom Fibergehalt im Zuckerrohr wird diese theoretische Stromausbeute wieder um ca. 15% bis maximal 40% reduziert, da ein Teil des Kesselabdampfes für die Trocknung eingesetzt wird und nicht oder nicht vollständig in der Gegendruckturbine entspannt werden kann. Andererseits kann der nicht für die Trocknung benötigte Dampfanteil einer Kondensationsturbine zugeführt werden, wodurch sich die Stromausbeute erhöhen würde.

Die Trocknung der Bagasse unter Verwendung überhitzten Dampfes ist auch von Vorteil, wenn ein sogenannter Vergasungsprozeß (Biomass Integrated Gasifier Combined Cycle Process (BIGCP)) für die Dampferzeugung eingesetzt wird. Die Zuckerbagasse wird dabei in einem Reaktor vergast und das entstehende Prozeßgas einer Gasturbine zugeführt. Die Abgase dieser Gasturbine werden wiederum dem Dampfkessel zugeführt, der hier als Abhitzekessel arbeitet. Auch durch diesen Prozeß kann eine erhebliche Strommenge erzeugt werden, die nach heutigem Kenntnisstand über dem mit einem konventionellen Dampfturbinenprozeß Erzeugbaren liegt. Eine Vortrocknung der Bagasse bewirkt auch hier eine erheblich größere Stromerzeugung.

Die getrocknete Zuckerbagasse kann dem nachgeschalteten Verbrennungs- oder Vergasungsprozeß in loser Form zugeführt werden oder auch in einem weiteren Verfahrensschritt komprimiert oder konditioniert werden. Abgesehen vom geringen Energiebedarf durch Wärmeverluste und geringfügige Dampfverluste und ferner abgesehen vom Eigenbedarf an elektrischer Energie der Trocknung ist kein zusätzlicher Brennstoff für den Trocknungsprozeß erforderlich. Daher ist die Integration der Trocknung mittels überhitzten Dampfes in den Energieverbund aus Kesselhaus/Turbine und Zuckerproduktionsprozeß sowohl für die Erhöhung der Stromproduktion aus dem reinen Verbrennungsprozeß (d. h. Dampfkessel + Turbine), als auch durch Stromproduktion in einem integrierten Vergasungsprozeß (d. h. Abhitze-Dampfkessel, Dampfturbine, Gasturbine, Vergasungsprozeß) ein entscheidender Vorteil bei der Maximierung der Stromproduktion.

Weitere Einzelheiten des Verfahrens zur Herstellung von Zucker aus Zuckerrohr werden nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1: in schematischer Darstellung verschiedene verfahrenstechnische Komponenten eines Verfahrens zur Herstellung von Zucker aus Zuckerrohr und

Fig. 2: in schematischer Darstellung verschiedene verfahrenstechnische Komponenten eines Verfahrens zur Herstellung von Zucker aus Zuckerrohr gemäß einer zweiten, abgewandelten Ausführungform.

Gemäß Fig. 1 wird Zuckerrohr 1 einer Mühlenstraße oder einem Diffuseur 2 zugeführt. Dort erfolgt eine Trennung in einerseits den extrahierten Zuckerrohrsaft 3 und andererseits die Zuckerbagasse 4. Der Zuckerrohrsaft 3 wird einer Saftreinigung 5 unterzogen und gelangt anschließend in eine Verdampfanlage 6.

Die nur zum Teil von der Feuchte befreite Zuckerbagasse 4 gelangt in den Trockner 7, in dem die Trocknung der Bagasse mittels überhitztem Wasserdampf erfolgt. Der als Trocknungsmedium in den Trockner geführte, überhitzte Wasserdampf 8 stammt von der Niederdruckseite einer Anzapfturbine 9, die wiederum von dem Dampfkessel 10 mit unter hohem Druck stehendem Wasserdampf gespeist wird.

Die in dem Trockner 7 getrocknete Zuckerbagasse gelangt über die Leitung 11 als Brennstoff in die Brennkammer des Dampfkessels 10. Bei der Gestaltung und Auslegung der Leitung 11 ist es von Vorteil, wenn diese möglichst kurz ist, so daß die den Trockner 7 verlassende Bagasse noch mit hoher Temperatur und unter Vermeidung einer zwischenzeitlichen neuerlichen Feuchtigkeitsaufnahme in die Brennkammer des Dampfkessels 10 gelangt.

Der den Dampfkessel 10 verlassende, unter hohem Druck stehende Dampf gelangt nicht nur in die Anzapfturbine 9, sondern zusätzlich in eine stromerzeugende Turbine 12, an die ein elektrischer Generator angeschlossen ist. Die hier erzeugte elektrische Energie kann dann z. B. in das allgemeine Stromleitungsnetz eingespeist werden.

Der im Trockner 7 durch den Trocknungsprozeß entstehende Überschußdampf gelangt über die Leitung 13, ebenso wie der Abdampf der stromerzeugenden Turbine 12, in die Verdampfanlage 6 für den Zuckerrohrsaft und dient hier der Beheizung.

Das Anlagenschema nach Fig. 2 beinhaltet einen sogenannten "Biomass Integrated Gasifier Combined Cycle Process" (BIGCP) und unterscheidet sich von dem Anlagenschema gemäß Fig. 1 dahingehend, daß die Leitung 11 für die mittels überhitztem Dampf getrocknete Zuckerbagasse zunächst zu einem Gasifier 14 geführt ist, in dem die Vergasung stattfindet. Das entstehende Prozeßgas gelangt in die Gasturbine 15 zur Stromerzeugung sowie dann in den Abhitzekessel 16, von dem aus der Brennstoff dann dem Dampfkessel 10 zugeführt wird. Bezugszeichenliste 1 Zuckerrohr

2 Mühlenstraße/Diffuseur

3 Zuckerrohrsaft

4 Zuckerbagasse

5 Saftreinigung

6 Verdampfanlage

7 Trockner

8 Wasserdampf

9 Anzapfturbine

10 Dampfkessel

11 Leitung

12 stromerzeugende Turbine

13 Leitung

14 Gasifier

15 Gasturbine

16 Abhitzekessel


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von Zucker aus Zuckerrohr, bei dem der im Rahmen der Verfahrensdurchführung anfallenden Zuckerbagasse zumindest ein Teil der darin enthaltenen Feuchte durch Trocknung entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung der Zuckerbagasse mittels überhitztem Wasserdampf erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die getrocknete Zuckerbagasse als Brennstoff der Befeuerung eines Dampfkessels zugeführt wird, und daß mittels des energiereichen Dampfes des Dampfkessels der für die Trocknung der Zuckerbagasse benötigte überhitzte Dampf erzeugt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der überhitzte Wasserdampf in einem Wärmetauscher sekundärseitig erzeugt wird, der primärseitig mit Wasserdampf eines Dampfkessels beheizt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der überhitzte Wasserdampf der Abdampf einer Anzapfturbine ist.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der im Trockner durch den Trocknungsprozeß entstehende Überschußdampf abgezogen und als Prozeßdampf zur Beheizung nachgeschalteter Verfahrensstufen bei der Zuckergewinnung eingesetzt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die getrocknete Zuckerbagasse konditioniert oder unkonditioniert einer Aufbereitung und Verfeuerung oder einem "Biomass Integrated Gasifier Combined Cycle Process (BIGCP)) zugeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Trocknung nicht verwendete Dampf des Dampfkessels in eine Gegendruck- oder eine Kondensationsturbine zur Stromerzeugung geleitet wird.






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