AT401525B

AT401525B - Verfahren zum herstellen von brennmaterial aus biomasse

Info

Publication number: AT401525B
Application number: AT0009094A
Authority: AT
Original assignee: Tessmer Gero Ing
Priority date: 1994-01-19
Filing date: 1994-01-19
Publication date: 1996-09-25
Also published as: ATA9094A

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 
 EMI1.1 
 
Biomasse durch Verdichten und Schneckenextrudieren, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. 



   Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der DE-A-34 22 912 bekannt. Hierbei wird eine naturfeuchte Biomasse auf eine bestimmte Teilchengrösse zerkleinert und sodann mit einem nicht oxidierten plastischen   mikroknstallinen   Wachs innig vermischt, wobei zur Bindung der Feuchte ein mit dem   mlkrokn-   stallinen Wachs   verträgliches anorganisches Adsorptionsmittel   vor der   Wachsbelmengung zugemischt wird.   



  Die beigemischten Mikrowachse sind mineralischen Ursprungs und welsen eine klebrig plastische   Kongsi-   stenz auf. Die Biomasse wird mittels einer Pressschnecke diskontinuierlich in eine Verdichtungskammer eingepresst und der so gebildete Pressling aus dieser Verdichtungskammer ausgeworfen. 



   Aus der DE-A -31 11 324 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffes aus Biomasse bekannt, der aus   Altöl, Altfett, Kunststoffabfällen   und Ton, Lehm oder Schiefer, Schmiersand sowie Papier, Stroh und Holz gebildet wird. Diese Masse wird so lange verrührt, bis sie fast trocken, aber dennoch leicht klebng ist, worauf diese Masse diskontinuierlich in Formen unter hohem Druck eingepresst wird. 



   Eine kontinuierliche Herstellung von Brennstoff aus   cellulosehältigem   Material, wie Holz und/oder Papier, ist weiters aus der   DE-A-36 30   248 bekannt, wobei das   Matenal   in einer Schneckenpresse verdichtet wird. Weiters enthält der Brennstoff Polyäthylen, der der Masse eine Bindung gibt, wodurch erst eine hohe Dichte der Masse erzielt werden kann. 



   All die bekannten Verfahren   welsen   Nachteile auf. die vor allem dann zu sehen sind, dass die Biomasse entweder Infolge des gebundenen hohen   Feuchtigkeitsgehaltes (vgl DE-A - 34   22 912) oder infolge der Zumischungen, die einen erheblichen Anteil an den Heizwert herabsetzenden Komponenten enthalten (vgl. insbesondere die DE-A-31 11 324), nur einen relativ geringen Heizwert aufweist. Ein weiterer wesentlicher Nachteil Ist dann zu sehen, dass für die Bildung von stückigem Brennmaterial Bindemittel (gemäss der DE-A - 36 30 248 ein anorganisches Bindemittel) zugegeben werden müssen. Das Verarbeiten von klebriger Biomasse ist anlagentechnisch nicht unproblematisch, insbesondere bel diskontinuierlichen Verfahren.

   Diskontinuierliche Verfahren bedingen zur Erzielung einer hohen Leistung zudem einen hohen anlagentechnischen Aufwand
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von   stückigem Brennmaterial   aus Biomasse zu schaffen. die nicht nur einen hohen Heizwert aufweist, insbesondere infolge einer sehr hohen Dichte, sondern das auch m einfacher Welse, insbesondere ohne Verwendung von anorganischen Bindemitteln, und mit einem geringen apparativen Aufwand verwirklichbar ist. 



   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Herstellung von ausschliesslich aus Biomasse bestehendem   Brennmatenal In   Form von Pellets die Verdichtung In zwei Stufen durchgeführt wird, nämlich erstens durch einen sich infolge eines vermindernden Gangvolumens einer Schnecke des Schneckenextruders einstellenden Pressvorgang und zweitens durch einen nach Austritt des vorverdichteten Brennmatenals aus dem Schneckengang durchgeführten Verdictungsschntt. der ein   kontinuierliches   Schieben der Biomasse durch eine Mehrzahl von Im Bereich des Schneckenganges angeordneter, sich in Schieberichtung Im Querschnitt verjüngender Öffnungen beinhaltet. 



   Durch die erfindungsgemässe zweistufige Verdichtung gelingt es einerseits. eine sehr hohe Dichte des Brennmatenals zu erzielen, wobei in unproblematischer Weise das In der Biomasse enthaltene Wasser ausgetrieben werden kann. Hierdurch lässt sich die Biomasse wiederum leichter weiterverdichten, was eine besondere Steigerung des Heizwertes ergibt Ausserdem gelingt es, Pellets relativ hoher Festigkeit ohne Zugabe von Bindemitteln herzustellen. 



   Vorteilhaft wird die Biomasse während des ersten Verdichtungsschrittes auf 100 bis   4000 C erhitzt,   wobei zweckmässig auch während des zweiten Verdlchtungsschnttes eine Erhitzung auf 100 bis   4000 C   erfolgt
Vorzugsweise wird die Biomasse von Holzsägespänen   undoder     Holzhobelspänen undioder Rinde   
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 oder Hoizsch ! e ! fabfä ! ! en und/oderBiomasse herzustellen, so dass eine Vorzerkleinerung, wenn überhaupt, nur In geringem Ausmass erforderlich ISt Zweckmässig wird die Biomasse von Stücken, deren grösste Abmessungen bis zu 70 mm. vorzugsweise bis zu 50 mm, betragen, gebildet und werden daraus Pellets mit einem Durchmesser zwischen 5 und 40 mm. vorzugsweise zwischen 10 und 25 mm. und einer Länge zwischen 5 und 70 mm. vorzugsweise zwischen 10 und 50 mm.

   gebildet 

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Die Erfindung stellt sich auch die Aufgabe, eine besonders einfache, kostengünstige und   betnebsslche-   re,   d. h.   wenig störanfällige und einfach zu wartende   Vomchtung   zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zu schaffen, die einen in einem Gehäuse umlaufenden Schneckenextruder aufweist Erfindunggemäss ist diese Einrichtung durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet :

     *   eine Schnecke mit einem gegen das Austrittsende sich verminderndem Gangvolumen und   *   eine am Austrittsende der Schnecke angeordnete Matnze mit einer Mehrzahl im Bereich des
Schneckenganges der Schnecke angeordneter Öffnungen, deren dem Austrittsende der Schnecke zugewandten Endbereiche   in Förderrichtung sich   im Querschnitt verjüngend, vorzugsweise kegelför- mig, gestaltet sind. 



   Vorteilhaft ist der Schaft der Schnecke   zylindnsch   ausgebildet und weist ein die Schnecke aussen umhüllender Kegelmantel einen Öffnungswinkel im Bereich von 5 bis   30. auf, wobei zweckmässig   der Schaft der Schnecke zylindrisch ausgebildet ist und ein die Schnecke aussen umhüllender Kegelmantel einen Öffnungswinkel im Bereich von 5 bis   30. aufweist  
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform weisen die   kegelförmig   gestalteten Endbereiche der 
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 che einreihig angeordnet sind und die schneckenseitig liegenden Enden der kegelförmigen Endbereiche einen Durchmesser aufweisen, der grösser Ist als die lichte Weite des Schneckenganges am Ende der Schnecke. 



   Es ist jedoch auch   möglich,   die Öffnungen mehrreihig anzuordnen. Die Verminderung des Gangvolumens der Schnecke beträgt zweckmässig 1, 5 : 1 bis 10 : 1, vorzugsweise   1. 5. 1   bis 3 : 1. 



   Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verhältnis der Förderquerschnittsfläche der Schnecke des Austnttsendes der Schnecke zur Summe der Öffnungsquerschnitte der 
 EMI2.2 
 



   Ein besonders effektives Verdichten der Biomasse wird dadurch erzielt, wenn die Schneckengänge von Schneckenflanken gebildet sind, die in Förderrichtung nach vorne geneigt sind, wobei vorzugsweise die Schneckenflanken gegenüber einer zur Drehachse der Schnecke vertikal genchteten Ebene einen Nelgungswinkel zwischen 3 und   7#, vorzugsweise einen Neigungswinkel   von   5@ einschliessen.   



   Hierbei ist zweckmässig ein Überhang der vorderseitigen Schneckenflanken in der Grössenordnung von mindestens 3 mm. vorzugsweise von 4 mm, vorgesehen. 



   Die Erfindung ist anhand der Zeichnung nachstehend näher erläutert, wobei Fig. 1 einen   Achsschnitt   durch eine erfindungsgemässe   Vomchtung,   Fig. 2 ein Detail 11 der Fig. 1 In vergrössertem Massstab und die Fig. 3 und 4 ein Detail einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen   Vomchtung   im Schnitt   (Flg.   



  3) und   In Ansicht (Flg.   4) zeigen. 



   Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist einen Schneckenextruder 1 auf, der mit einer, vorzugsweise einzigen, Schnecke 2 bestückt ist, die ein gegen Ihr Austrittsende 3 sich verminderndes Gangvolumen besitzt. Ein Antnebsstummel 4 der Schnecke 2 ragt an einem Ende des die Schnecke aufnehmenden Gehäuses 5 nach aussen und Ist über nicht dargestellte Wälzlager im Gehäuse abgestützt Die Schnecke 2 besitzt einen zylindnschen Schaftkern 6, der an seinem vorderen Ende 3 in einen Absatz 7 geringeren Durchmessers übergeht.

   Dieser Absatz ist in einer das Gehäuse 5 am vorderen Ende 3   abschliessenden   Matrize 8 gelagert
Der erste Tell 9 der Schnecke   2,   der sich unter einer für die Biomasse vorgesehenen Füllöffnung 10 des Gehäuses 5 befindet,   ! St zylindrisch gestaltet, d. h. hier   vermindert sich das Gangvolumen der Schnecke 2 noch nicht. An diesen zylindrischen Teil 9 schliesst ein   Schneckenteil   11 an, der aussen von einem Kegelmantel 12 umhüllt wird.

   Dieser Kegel weist einen   Öffnungswinkel Cl   von etwa   9. auf Im   Zusammenwirken mit dem zylindrischen Schaft 6 der Schnecke 2 ergibt sich für diesen Teil 11 der Schnecke 2 ein sich verminderndes   Gangvolumen,   wodurch eine erste Verdichtungsstufe für die Biomasse gebildet ist Die Schneckenflanken 13 sind gegenüber der Drehachse 14 nach vorne geneigt,   u. zw mit einem Neigungswin-   
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 15 von etwa 4 mm gegenüber einer vertikal zur Drehachse 14 der Schnecke 2 genchteten Ebene. 



   Das Gehäuse 5 ist innenseitig mit   Führungsleisten   16 versehen, die ein Miterehen der Biomasse verhindern. Die am   in Förderrichtung   vorderen Ende 3 der Schnecke 2 bzw des Gehäuses 5 befestigte Matnze 8 ist mit einer Mehrzahl Im Bereich des Schneckenganges 17 der Schnecke 2 angeordneter Öffnungen 18 versehen. Diese Öffnungen 18 sind an den der Schnecke 2 zugewandten Endbereichen 19 
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 gestaltet, wobeiVerdichtungsstufe für die Biomasse, die kontinuierlich mittels der Schnecke durch die Öffnungen 18 gepresst wird. 



   An diesen   kegelförmigen Bereich   19 der Öffnungen 18   schliesst   ein relativ kurzer zylindrischer Teil 20 an, dessen Durchmesser dem kleinsten Durchmesser des   kegelförmigen Bereiches   19 der Öffnungen 18 

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 entspricht. An diesen zylindrischen   Teil schliesst   ein weiterer zylindrischer Tell 21 der Öffnungen 18 an, dessen Durchmesser jedoch grösser ist als der engste Durchmesser der Öffnungen 18 der Matrize 8. 



   Gemäss der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind die Öffnungen einreihig vorgesehen. Der grösste Durchmesser des   kegelförmigen Bereiches   19 der Öffnungen   18,   der an der innenseitigen Fläche der Matnze 8 liegt, ist grösser als die lichte Weite des Schneckenganges 17 am vorderen Ende 3 der Schnecke 2. 



   Das Gangvolumen der Schnecke 2 vermindert sich etwa im Verhältnis 3. 1. Das Verhältnis der Förderquerschnittsfläche der Schnecke am Austnttsende 3 der Schnecke 2 zur Summe aller grössten Querschnitte der Öffnungen 18 der Matrize 8 liegt gemäss dem dargestellten   Ausführungsbeispiel   bel etwa 2   : 1.    



   Gemäss der In Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Matnze 8 sind die Öffnungen 18 zweireihig vorgesehen. Der Öffnungswinkel   z   der kegelförmig gestalteten innenseitigen Endbereiche 19 der Öffnungen 18 ist etwas geringer. Er beträgt etwa   12..   



   Zusätzlich zur durch die Verdichtung der Biomasse während der beiden Verdichtungsstufen stattfindenden Erwärmung kann eine weitere Erhitzung durch eine am Gehäuse 5   undioder   an der Matrize 8 angeordnete Heizeinnchtung 22 bewirkt werden.   Diese Heizeinrichtungen   22 können aussen am Gehäuse 5 bzw. an der Matrize 8 oder In Ausnehmungen 23 derselben (Fig. 3) angeordnet sein. 



   Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung können gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren folgende 
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 Korngrösse kann bis zu 70 mm, vorzugsweise bis zu 50 mm betragen Diese Rohstoffe brauchen daher im Normalfall nicht extra zerkleinert oder gemahlen zu werden. Das   Schüttgewicht   dieser Rohstoffe liegt bel 15 % Wassergehalt bei : 
 EMI3.2 
 
<tb> 
<tb> Holz. <SEP> Holzabfälle <SEP> : <SEP> 155 <SEP> - <SEP> 250 <SEP> kg/m3
<tb> Stroh, <SEP> Laub <SEP> : <SEP> 80-100 <SEP> kg <SEP> ! <SEP> M3 <SEP> 
<tb> 
 und bel 30 % Wassergehalt bel : 
 EMI3.3 
 
<tb> 
<tb> Holz, <SEP> Holzabfälle. <SEP> 180 <SEP> - <SEP> 280 <SEP> kg/m3
<tb> Stroh. <SEP> Laub <SEP> : <SEP> 100 <SEP> - <SEP> 150 <SEP> kg/m3
<tb> 
 Der Heizwert beträgt 
 EMI3.4 
 
<tb> 
<tb> mit <SEP> 15 <SEP> % <SEP> Wassergehalt <SEP> :

   <SEP> 650 <SEP> - <SEP> 1000 <SEP> kWh/m3 <SEP> 
<tb> mit <SEP> 30 <SEP> % <SEP> Wassergehalt <SEP> : <SEP> 600 <SEP> - <SEP> 900 <SEP> kWh <SEP> m3
<tb> Aschegehalt <SEP> : <SEP> 
<tb> Holz <SEP> : <SEP> 1-2% <SEP> 
<tb> Stroh <SEP> : <SEP> 3%
<tb> Elementaranalyse <SEP> (Gew. <SEP> %) <SEP> : <SEP> 
<tb> Stroh <SEP> Holz
<tb> C <SEP> 52 <SEP> 50
<tb> H <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP> 6
<tb> 0 <SEP> 41 <SEP> 44
<tb> 
 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 
 EMI4.1 
 
<tb> 
<tb> Hauptbestandteile <SEP> der <SEP> Biomasse <SEP> (Gew. <SEP> %) <SEP> : <SEP> 
<tb> Cellulose <SEP> : <SEP> 45% <SEP> 
<tb> Hemicellulose <SEP> : <SEP> 25 <SEP> % <SEP> 
<tb> Lignin <SEP> 25 <SEP> % <SEP> 
<tb> Wachse <SEP> : <SEP> 2% <SEP> 
<tb> Asche <SEP> 3%
<tb> Rohstoffe <SEP> dieser <SEP> Art <SEP> welsen <SEP> folgende <SEP> Heizwerte <SEP> auf <SEP> :

   <SEP> 
<tb> Heizwert <SEP> (trocken) <SEP> ca <SEP> 5 <SEP> kWh/kg
<tb> Heizwert <SEP> (15 <SEP> % <SEP> Wasser) <SEP> ca. <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP> kWh/kg <SEP> 
<tb> Heizwert <SEP> (30 <SEP> % <SEP> Wasser) <SEP> ca. <SEP> 3, <SEP> 3 <SEP> kWh/kg
<tb> 
 
Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens lassen sich Pellets der nachstehenden Spezifikation, ohne dass die Zugabe eines   Bindermittels erforderlich wäre, herstellen :   
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<tb> 
<tb> Durchmesser <SEP> 10-25 <SEP> mm
<tb> Länge. <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 50 <SEP> mm <SEP> 
<tb> Schüttgewicht' <SEP> 800-1400 <SEP> kg/m3 <SEP> 
<tb> Wassergehalt <SEP> : <SEP> 6-10 <SEP> % <SEP> 
<tb> Heizwert <SEP> (6 <SEP> % <SEP> Wasser): <SEP> 4.7 <SEP> - <SEP> 5.2 <SEP> kWh/kg <SEP> (je <SEP> nach <SEP> Aufgabematenal)
<tb> Heizwert <SEP> bezogen <SEP> auf <SEP> Volumen:

   <SEP> 3750 <SEP> - <SEP> 7300 <SEP> kWh/m3
<tb> Asche <SEP> : <SEP> 1-3 <SEP> % <SEP> (je <SEP> nach <SEP> Aufgabematenal)
<tb> 
   Wesentlich Ist die Heizwertssteigerung   pro Volumseinheit auf das 5-bis 10-Fache Der dazu benötigte Energieaufwand (für die Verdichtung) Ist geringer als ein Zehntel des   Energieinhaltes   des Produktes. Bei einem Probebetrieb betrug der Energieaufwand ein Zwanzigstel.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von stückigem Brennmatenal aus Biomasse durch Verdichten und Schneckenextrudieren, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von ausschliesslich aus Biomasse bestehendem Brennmaterial In Form von Pellets die Verdichtung In zwei Stufen durchgeführt wird, nämlich erstens durch einen sich infolge eines vermindernden Gangvolumens einer Schnecke (2) des Schneckenextruders einstellenden Pressvorgang und zweitens durch einen nach Austntt des vorverdichteten Brennmaterials aus dem Schneckengang (17) durchgeführten Verchchtungsschntt, der ein kontinuierliches Schieben der Biomasse durch eine Mehrzahl von Im Bereich des Schneckenganges (17) angeordneten sich in Schieberichtung Im Querschnitt verjüngenden Öffnungen (18) beinhaltet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse während des ersten Verdlchtungsschnttes auf 100 bis 400. C erhitzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse während des zweiten Verdichtungsschrittes auf 100 bis 400. C erhitzt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse von Holzsägespänen und/oder Holzhobelspänen und/oder Rinde und oder Holzschleifabfällen und/oder Stroh und oder Tischlereiabfällen und/oder Heu undloder Laub und'oder Energiepflanzen, wie EMI4.3
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse von Stücken, deren grösste Abmessungen bis zu 70 mm. vorzugsweise bis zu 50 mm. betragen, gebildet wird und dass daraus Pellets mit einem Durchmesser zwischen 5 und 40 mm. <Desc/Clms Page number 5> vorzugsweise zwischen 10 und 25 mm, und einer Länge zwischen 5 und 70 mm, vorzugsweise zwischen 10 und 50 mm, gebildet werden.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, mit einem eine in einem Gehäuse (5) umlaufende Schnecke (2) aufweisenden Schneckenextruder, gekenn- zeichnet durch die Kombination folgender Merkmale : * eine Schnecke (2) mit einem gegen das Austrittsende (3) sich verminderndem Gangvolumen und * eine am Austrittsende (3) der Schnecke (2) angeordnete Matrize (8) mit einer Mehrzahl im Bereich des Schneckenganges (17) der Schnecke (2) angeordneter Öffnungen (18), deren dem Austrittsende der Schnecke (2) zugewandten Endbereiche (19) in Fördemchtung sich im Quer- schnitt verjüngend, vorzugsweise kegelförmig, gestaltet sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (2) zumindest teilweise konisch ausgebildet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (6) der Schnecke (2) zylindrisch ausgebildet ist und ein die Schnecke (2) aussen umhüllender Kegelmantel (12) einen Öffnungswinkel (er) Im Bereich von 5 bis 30'aufweist.
9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kegelförmig gestalteten Endbereiche (19) der Matrize (8) einen Öffnungswinkel (γ) Im Bereich von 5 bis 30'aufweisen
10. Einnchtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die kegelförmigen Endbereiche (19) einreihig angeordnet sind und die schneckenseltlg hegenden Enden EMI5.1 des Schneckenganges (17) am Ende (3) der Schnecke (2).
11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (18) der Matrize (8) mehrreihig angeordnet sind
12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung des Gangvolumens der Schnecke (2) 1, 5 : 1 bis 10 : 1, vorzugsweise 1, 5 : 1 bis 3 : 1. beträgt.
13. Einnchtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verhältnis der Förderquerschnittsfläche der Schnecke (2) des Austrittsendes (3) der Schnecke (2) zur Summe der Öffnungsquerschnitte der Matrize (8) wie 1, 5 : 1 bis 10 : 1, vorzugsweise 1, 8. 1 bis 3, 0 1, verhält.
14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckengänge von Schneckenflanken (13) gebildet sind, die in Förderrichtung nach vorne geneigt sind.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenflanken (13) gegenüber einer zur Drehachse (14) der Schnecke (2) vertikal gerichteten Ebene einen Neigungswinkel zwischen 3 und 7'. vorzugsweise einen Neigungswinkel von 5', einschliessen.
16. Einnchtung nach Anspruch 14 oder 15. dadurch gekennzeichnet, dass der Überhang (15) der vorderseitigen Schneckenflanken (13) In der Grössenordnung von mindestens 3 mm, vorzugsweise von 4 mm, liegt.