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Dokumentenidentifikation DE10123903B4 12.01.2006
Titel Verfahren zur Herstellung eines Bodenverbesserungsstoffes aus Braunkohlenxylit und seine Verwendung
Anmelder Vattenfall Europe Mining AG, 03050 Cottbus, DE
Erfinder Naundorf, Wolfgang, Prof. Dr.-Ing.habil., 09599 Freiberg, DE;
Straßburger, Ulrike, Dipl.-Ing., 09599 Freiberg, DE;
Biegel, Anita, Dipl.-Ing., 01968 Senftenberg, DE;
Müller, Dietmar, Dipl.-Ing. (FH), 03130 Spremberg, DE
DE-Anmeldedatum 17.05.2001
DE-Aktenzeichen 10123903
Offenlegungstag 28.11.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse C05F 11/02(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   

Beschreibung[de]

Für die Notwendigkeit der Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit gibt es viele Gründe. Es gibt zum Beispiel karge oder sogar unfruchtbare Böden wegen zu hoher Kalk- oder Sandgehalte oder wegen zu starker Versalzung. Weitere Gründe für geringe Fruchtbarkeit sind zu geringe Gehalte an Dauerhumus, Neigung der Böden zur schnellen und starken Verdichtung bis zur festen Verkrustung, zu schnelle Verdunstung der Bodenfeuchtigkeit wegen ungünstiger Bodenstruktur und/oder zu intensiver Sonneneinstrahlung sowie Austrocknung der für das Wachstum wichtigen oberen Bodenzone durch zu schnellen Abfluss der Feuchtigkeit und der in ihr gelösten Nährstoffe in das Grundwasser, weil die Speicherkapazität des Bodens für Wasser und Nährstoffe zu gering ist.

Es ist bekannt, dass ein großer Teil der genannten Nachteile durch die regelmäßige Zufuhr von natürlichen Düngestoffen in Form von z.B. Stoppeln, Stroh, Spreu, Wurzeln, Grüngut, Gülle, Festmist, aus denen Dauerhumusstoffe entstehen, verringert oder beseitigt werden können.

Der für die Wasser- und Nährstoffspeicherung, für die Krumebildung und Bodenauflockerung sowie für die Lebensbedingungen der Bodenorganismen wichtige Dauerhumus entsteht durch vielstufigen und mehrjährigen Abbau von Ligninbestandteilen der natürlichen Düngestoffe und Verbindung dieser Umwandlungsprodukte mit Tonmineralien. Die Anreicherung von Dauerhumus im Boden ist aber begrenzt und wird in einigen Fällen sogar verhindert. Die Bildung von Dauerhumus wird unterdrückt oder sogar verhindert, wenn für die zur Umwandlung des Lignins benötigten Bodenorganismen wegen Verkarstung, Versalzung, zu schneller Austrocknung oder Überhitzung der Böden bzw. durch unzureichende Belüftung als Folge von starker Bodenverdichtung oder aus Mangel an Nährsalzen schlechte Lebensbedingungen bestehen. Zu niedrige Gehalte an Dauerhumus im Boden entstehen aber auch dann, wenn der Abbau des Dauerhumus trotz Zufuhr an natürlichen Düngerstoffen größer ist als die Nachbildung, weil z.B. der im Boden gespeicherte Stickstoff und Phosphor nicht für das Wachstum der abbauenden Bodenorganismen ausreicht. Die Zufuhr von natürlichen Düngestoffen in den Boden ist eine mögliche, aber nicht immer allein ausreichende Maßnahme zur Bildung und Anreicherung der die Fruchtbarkeit von Böden prägenden Dauerhumusstoffe. Es ist weiterhin bekannt, dass die genannten Gründe für eine unbefriedigende Fruchtbarkeit der Böden durch den Zusatz von Torf und/oder die Bedeckung mit Torf beseitigt werden könnten. Der Torf steht aber nur in begrenzten Mengen zur Verfügung. Außerdem muss der Abbau von Torf eingeschränkt werden, damit wertvolle Biotope erhalten bleiben.

In der Offenlegungsschrift DE 2131 020 A1 wird ein "Verfahren zum Herstellen eines streufähigen Düngers" unter Verwendung von Braunkohle in Form von Xylit in nussförmiger Körnung und von wasserlöslichen Pflanzennährstoffträgern ohne Flüssigkeitszusatz beschrieben. Bei diesem Verfahren wird Braunkohle insgesamt ohne stoffliche Auftrennung als Xylit bezeichnet und mit einer bestimmten Körnung verwendet. Die Braunkohle wird mit bis zu 50% Pflanzennährstoffträgern vermischt und danach auf eine Körnung von 0 bis 5 mm gemahlen. Bei diesem Verfahren wird ein echter Düngestoff hergestellt, der durch den Zusatz von Braunkohle bessere Lager- und Streueigenschaften erlangt. Die Herstellung eines Düngestoffes wird in der vorliegenden Anmeldung nicht angestrebt. Es wird die Herstellung eines Stoffes ohne direkte Düngewirkung angestrebt, der die Böden durch physikalische Effekte verbessert.

Dafür ist nicht die gesamte Braunkohle in Form einer Körnung geeignet, sondern nur Bestandteile der Braunkohle mit den dafür geeigneten physikalischen Eigenschaften.

Das Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines Stoffes, mit dem die Fruchtbarkeit der Böden wiederhergestellt oder ergänzend verbessert werden kann, der langfristig und in größeren Mengen sowie ohne ökologische Nachteile bei der Erzeugung und beim Einsatz preisgünstig produziert werden kann und sich durch eine hohe und lang anhaltende Wirksamkeit auszeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung eines Bodenverbesserungsstoffes dadurch gelöst, dass für die Herstellung des Bodenverbesserungsstoffes als Ausgangsrohstoff Braunkohlenxylit ausgewählt wird. Der Xylit ist ein Bestandteil der jungtertiären Weichbraunkohlen, der beim Kohleabbau langfristig und in großen Mengen anfällt.

Er kann ohne zusätzliche ökologische Beanspruchung der Umwelt aus der Kohle abgetrennt werden. Der Braunkohlenxylit ist vor allem in der Niederlausitz ein schadstofffreier Rohstoff mit sehr niedrigen Asche- und Schwefelgehalten. Er ist ein reines Naturprodukt, das durch biochemische Umwandlung aus der ursprünglichen Phytomasse entstanden ist und sich durch eine hohe innere Porosität sowie durch eine außergewöhnlich hohe Anzahl an Bindungspotentialen in seiner Struktur für die Ad- und Absorption von Wasser, Nährstoffen und Spurenelementen auszeichnet. Braunkohlenxylit hat eine besondere hohe Anzahl an bindungsaktiven Hydroxyl- und Carboxylgruppen. Letztere können Nährstoffe und Spurenelemente durch chemische Bindung speichern. Ein weiterer Vorteil von Braunkohlenxylit ist seine hohe Resistenz und damit seine lange Verfügbarkeit im Boden, weil alle schnell abbaubaren Inhaltsstoffe der früheren Phytomasse schon während der Inkohlung biologisch abgebaut wurden. Der Braunkohlenxylit erfüllt also aufgrund seiner physikalischen und chemischen Struktur viele Bedingungen für die Nutzung als Bodenverbesserungsstoff zum Teil in idealer Weise. Er braucht nicht erst durch biochemischen Abbau erzeugt werden und ist deshalb sogar für die Rekultivierung und Renaturierung von Böden geeignet, in denen aus unterschiedlichen Gründen kein oder zu wenig Dauerhumus durch biologischen Abbau von Ligninbestandteilen gebildet wird.

Braunkohlenxylit ist im Gewinnungszustand grobstänglig bis großstückig. Außerdem ist er mit der detritischen Kohlegrundmasse so fest verwachsen, dass dieser Verbund bei der traditionellen Aufbereitung von Weichbraunkohlen nicht oder nur unzureichend zerstört wird. Die detritische Braunkohle ist bei stärkerer lokaler Anreicherung für die Bodenfruchtbarkeit störend. Außerdem schirmt sie die Bindekräfte des Xylites ab, die für die Ad- und Absorption von Wasser und Nährstoffen benötigt werden. Die Verfügbarkeit der inneren Porosität und der Bindekräfte des Xylites ist auch durch seine Großstückigkeit bzw. Grobstängligkeit selbst nach der traditionellen Zerkleinerung nicht gegeben, weil der Xylit ein zäher Stoff ist und ein noch weitgehend verschlossenes inneres Porenvolumen besitzt.

Die Überführung des Braunkohlenxylites in einen hochwertigen Bodenverbesserungsstoff wird erst durch eine Kombination von Prozessschritten erreicht. Dazu zählt die weitgehende Abtrennung der detritischen Braunkohle vom Xylit durch eine gezielte Prallzerkleinerung und nachfolgender Stofftrennung durch Klassierung. Die Prallbeanspruchung einer möglichst xylitreichen Kohlefraktion erfolgt relativ schonend mit einem Energieeintrag in das Mühlenaufgabegut, durch den die feste detritische Braunkohle gerade zu Feinkorn zertrümmert wird und der feste zähe Xylit nur wenig zerkleinert wird. Für die Zerkleinerung variiert die Rotorumfangsgeschwindigkeit bei den meisten dafür in Frage kommenden Mühlentypen zwischen etwa 25 bis 60 m pro Sekunde. Nach der Prallzerkleinerung erfolgt die Abtrennung des noch grobstückigen Braunkohlenxylites von der detritischen Braunkohle durch Klassierung mit bekannten Sieben. Für die Überführung des grobstückigen, braunkohlearmen Rohxylites in einen hochwertigen Bodenverbesserungsstoff ist weiter von qualitätsbestimmender Bedeutung sein Aufschluss zu einem feinstängligen Faserstoff durch intensive Scherbeanspruchung und/oder Schneidbeanspruchung. Unter diesen Zerkleinerungsbedingungen wird der Xylit vorrangig parallel zu seiner Faserbündelstruktur zu einem dünnstängligen und zur Verfilzung neigenden Faserstoff aufgebrochen und gleichzeitig die hohe innere Porosität, die hauptsächlich aus noch weitgehend verschlossenen inneren ehemaligen Leitkanälen der Pflanzen besteht, durch Aufbrechen und Rissbildung zugänglich gemacht. Des Weiteren werden durch den Aufschluss des Xylites in einen feinfasrigen Stoff die Diffusionswege für das Eindringen von Wasser und Nährstoffen in das große innere Porenvolumen und zu den aktiven Bindungspotentialen, die die Nährstoffe durch Adsorption und durch chemische Bindung fixieren, so verkürzt, dass ein schneller Stoffausgleich möglich wird. Die frische Oberfläche der Xylitfasern und das innere Porenvolumen sind zudem ideale Ansiedlungsflächen für die im Boden enorm wichtigen Mikroorganismen.

Der Aufschlussprozess des Xylites wird durch erhöhte Temperaturen bei der Zerkleinerung begünstigt, sie sind aber nicht unerlässlich notwendig.

Durch den Aufschluss des Xylites zu einem Faserstoff entsteht ein Bodenverbesserungsstoff, der nicht nur Wasser und Nährstoffe in der inneren Porosität und an seiner reaktiven Oberfläche binden kann, sondern auch in den Hohlräumen zwischen den sich formschlüssig verknäulenden Fasern. Die elastischen Fasern bewirken zudem eine wirksame und bleibende Bodenauflockerung und damit Bodenbelüftung. Dabei ist von besonderem Vorteil, dass für die Herstellung des Bodenverbesserungsstoffes mit dem Xylit ein Rohstoff ausgewählt wurde, der im Boden lange beständig ist und nur sehr langsam abgebaut wird, weil alle leicht abbaubaren Bestandteile der ursprünglichen Phytomasse nicht mehr vorhanden sind.

Durch den scherenden und/oder schneidenden Aufschluss des kohlearmen Xylites entsteht ein fertiger und sofort wirksam werdender Bodenverbesserungsstoff mit hoher Resistenz, der bezogen auf seine Trockenmasse mehr als 400 % Wasser speichern kann sowie Nährstoffe und Spurenelemente nicht nur in großen Mengen adsorptiv, sondern durch seinen hohen Gehalt an Carboxylgruppen auch chemisch binden kann. Der aufgeschlossene Faserxylit kann sogar in hohen Anteilen mit den Böden vermischt werden, weil alle Abbauprozesse entfallen, die z.B. bei Zusatz von Stroh oder Holz dem Boden Stickstoff- und Phosphornährstoffe entziehen. Der Xylit ist sogar als Substratbodenstoff geeignet.

In bestimmten Anwendungsfällen sollen Bodenverbesserungsstoffe auch eine gute Dämmwirkung gegen schnelle Wasserverdunstung und/oder zu starken Wärmefluss bei starker Abkühlung oder bei starker Erwärmung der umgebenden Atmosphäre haben, ohne dass die Befähigung zur Wasser- und Nährstoffspeicherung irreversibel verloren geht. Diese Dämmwirkung erlangt der Xylit erfindungsgemäß durch eine gezielte thermische Trocknung auf Wassergehalte von etwa 3 bis 25 % und vorzugsweise w = 5 bis 15 % bei einer begrenzten Erwärmung des Xylites auf Temperaturen von maximal 160°C. Unter den genannten Trocknungsbedingungen entsteht ein Xylitfaserstoff mit der notwendigen Verringerung seiner hygroskopischen Eigenschaften, die für die notwendige Unterdrückung des Feuchte- und Wärmetransportes durch Kapillarwirkung und Dampfdiffusion erforderlich ist. Die Schüttungen aus getrocknetem Faserxylit fungieren als Dampfsperren, und sie durchfeuchten auch bei länger anhaltendem Regen nicht, weil das Wasser sofort über Kanäle in den Boden abfließt. Der getrocknete Xylit ist auf Grund seiner organischen Natur, seiner hohen Porosität in und zwischen den Xylitfasern und der Wirkung als Sperre gegen Dampfdiffusion als Schüttgut ein guter Dämmstoff, der das Überhitzen oder das Auskühlen der Böden schon ab Schütthöhen ab etwa 60 mm verhindert oder wenigstens stark dämpft. Getrockneter Faserxylit ist somit ein Bodenverbesserungsstoff, der für die Bedeckung von Böden geeignet ist, weil er die Fruchtbarkeit der Böden durch Verhinderung einer zu schnellen und nutzlosen Wasserverdunstung sowie durch die Absicherung eines vorteilhaften und jahreszeitlich länger vorteilhaft bleibenden gleichmäßigeren Bodenklimas durch Verhinderung von schneller und stärkerer Auskühlung oder Erwärmung erhöht. Der getrocknete Xylit erlangt seine hohe Aufnahmefestigkeit gegenüber Wasser und Nährstoffen zurück, wenn der Wasserzufluss unter Tauschbedingungen erfolgt, wie das bei einer nachfolgenden Einarbeitung des Xylites in den Boden der Fall wäre.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung eines Bodenverbesserungsstoffes oder eines Bodenbedeckungsstoffes aus Braunkohlenxylit, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensstufen durchgeführt werden

    a) die Zerkleinerung einer xylitreichen Braunkohlefraktion durch Prallbeanspruchung in Mühlen mit einer Rotorumfangsgeschwindigkeit von 25 bis 60 m/s

    b) die Abtrennung der feinzerkleinerten detritischen Braunkohle von dem grobstückigen Braunkohlenxylit durch Klassierung

    c) der Aufschluss des grobstückigen, braunkohlearmen Rohxylits durch scherende und/oder schneidende Beanspruchung zu einem feinstängligen Faserstoff

    d) die schonende Trocknung des Xylites bei einer Temperatur ≤ 160°C auf Wassergehalte von 3 bis 25 %.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung auf Wassergehalte von 5 bis 15% erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die scherende und schneidende Zerkleinerung des groben kohlearmen Xylites Doppelschneckenextruder sowie Mühlen mit Schneidwerkzeugen in Form von Messern oder schneidenden Austragsvorrichtungen verwendet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Xylit während des Aufschlusses in Stufe c) mit Pflanzennährstoffen oder Stoffen zur pH-Werteinstellung vermischt wird.
  5. Verwendung des nach Anspruch 1 hergestellten Bodenverbesserungsstoffes oder Bodenbedeckungsstoffes als Erde-Ersatzstoff, zur Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit oder zur Rekultivierung und Renaturierung von Böden.
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