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DE4342165C1 - Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse - Google Patents

Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse

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DE4342165C1
DE4342165C1 DE4342165A DE4342165A DE4342165C1 DE 4342165 C1 DE4342165 C1 DE 4342165C1 DE 4342165 A DE4342165 A DE 4342165A DE 4342165 A DE4342165 A DE 4342165A DE 4342165 C1 DE4342165 C1 DE 4342165C1
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DE
Germany
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gas
gasification
smoldering
biomass
fluidized bed
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DE4342165A
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English (en)
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Burkhard Dr Ing Moeller
Dietmar Dipl Ing Rueger
Guenter Dr Ing Seifert
Horst Dr Selzer
Bodo Dr Ing Wolf
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Umwelt & Energietech
Original Assignee
Umwelt & Energietech
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Publication date
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur energetischen Nutzung von Bio­ masse, insbesondere auf Basis schnellwachsender Gehölze und anderer Pflanzen sowie anderer organischer Feststoffe, wie entwässerte Schlämme, Müll aller Art, aber auch von Kohle.
Die Erfindung kann insbesondere angewendet werden zur Nutzung land­ wirtschaftlicher Flächen und rekultivierter Bergbauflächen für die zyklische Produktion nachwachsender Brennstoffe für die kohlendioxidneutrale Erzeugung von Elektroenergie und Wärme, aber auch für die nutzbrin­ gende Entsorgung von Kommunen, Gewerbe, Landwirtschaft und Industrie von Müll und sonstigen organischen Abfällen.
Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Vor­ schlägen und praktischen Anwendungen zur energetischen Nutzung von Pflanzen sowie organischen Abfällen bis hin zum Müll aus Kommunen, Gewerbe, Industrie und Landwirtschaft. Ein im November 1981 von der Kernforschungsanlage Jülich GmbH durchgeführtes Seminar faßt den Stand der Technik zur thermischen Gaserzeugung aus Biomasse, d. h. der Ver- und Entgasung, zusammen, der auch heute noch den Stand der Technik weitgehend charakterisiert (Berichte der Kernforschungsanlage Jülich - Jül-Conf-46, Nov. 1981, ISSN 0344-5798). Dementsprechend bestimmen Verfahren zur Verbrennung, Entgasung und Vergasung einzeln oder in Kombination den Stand der Technik mit folgenden Zielen: - Produktion von Verbrennungsgas als Wärmeenergieträger zur Dampferzeugung durch Verbrennung, - Produktion von hochkalorischen festen und flüssigen Brennstoffen, wie Holz­ kohle und flüssigen, ölähnlichen Teeren durch Schwelung und Entgasung, - Produktion von Brenngas unter Vermeidung fester Brennstoffe durch Vergasung.
Aus der DE 31 01 259 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines brennba­ ren Reingases aus Kohle bekannt geworden, bei welchem Kohlepartikel, die flüchtiges brennbares Material enthalten in einer nicht oxidierenden Atmosphäre mit hitzebeladenen Feststoffen bei Temperaturen bis zu 540°C pyrolysiert und nach Abtrennen flüchtiger Bestandteile mit Dampf und einem sauerstoffhaltigen Gas in Berührung gebracht werden um ein brennbares Gas zu erzeugen. Dieses Verfahren ist jedoch auf die Verwen­ dung eines besonderen Typs einer teilweise von flüchtigen Bestandteilen befreiten, künstlichen Kohle beschränkt und somit nicht geeignet z. B. Bio­ massen energetisch zu nutzen.
Bei den Vergasungsverfahren entscheidet die Prozeßführung darüber, ob die flüssigen und großmolekularen Schwelprodukte erhalten oder ebenfalls durch Oxidation vergast werden.
Obwohl die Produktion von Holzkohle und ölähnlichen Teeren einen Bei­ trag zur Deckung des Brenn- und Treibstoffbedarfes in den Entwicklungs­ ländern leisten kann, stehen die Verfahren, die Schwelprodukte abgeben, aus Sicht der Umweltbelastung immer unter Kritik. Das betrifft insbeson­ dere die anfallenden wäßrigen Gaskondensate und produktionsbedingten Verunreinigungen, die mit der Teerproduktion im Zusammenhang stehen. Gleichstrom- und Wirbelschichtvergasungsverfahren ermöglichen die Erzeugung von annähernd teerfreien Brenn- und Synthesegasen. Es zeich­ net sich ab, daß diesen Verfahren aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit die Zukunft gehört, insbesondere auch deshalb, weil über bekannte Synthese­ verfahren auf diesem Wege aus Biomassen auch flüssige Grundstoffe wie Methanol, Brennstoffe wie Benzin, aber auch Eiweiß erzeugt werden kön­ nen.
Der Übergang zu solchen Produktionszielen und zur planmäßig zyklischen Produktion von Biomassen für die energetische und ggf. stoffliche Nutzung ist verbunden mit der Forderung nach leistungsfähigen, umweltschonenden Verfahren, geeignet für Biomassen unterschiedlicher Qualität und unter­ schiedlichen Ursprungs sowie industrieller Realisierbarkeit, auch in weniger entwickelten Ländern. Festbettvergaser mit Gleichstromvergasung oder Doppelfeuertechnologie sichern zwar ein weitgehend teerfreies Vergasungsgas, aber in bezug auf Leistung - wirkungsgradbezogen auf das Endprodukt - und Umweltschutz entsprechen diese Verfahren nicht den der­ zeitigen und zukünftigen Anforderungen. So erreichen Kraftanlagen auf der Basis von Verfahren zur Verbrennung oder Vergasung von Biomassen heute energetische Wirkungsgrade - bezogen auf die mögliche technische Arbeit - zwischen 20 und 30%.
Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomassen und organischen Abfällen vorzuschlagen, das gegenüber dem Stand der Technik gekennzeichnet ist durch eine höhere Effektivi­ tät in bezug auf ausgebrachte Nutzenergie, wie Elektro­ energie und Wärme sowie eine durch Vergasung hergestellte Gasqualität, die für die energe­ tische Nutzung in einer der Vergasung nachgeschalteten Kraft-Wärme-Kopplung optimal ist und eine gegenüber dem Stand der Technik schadstoffarme Energieumwandlung ermöglicht.
Das Ziel der Erfindung ist eine gegenüber dem Stand der Technik in bezug auf spezifische Investitionen und Betriebskosten effektivere Nutzung von Biomassen und anderen organischen Feststoffen mit verfahrensbedingt einfachen Vorrichtungen sowie eine höhere gesellschaft­ liche Akzeptanz solcher Verfahren durch verbesserte Zuverlässigkeit und Umweltfreundlichkeit.
Die Erfindung löst die technische Aufgabe durch eine bessere exergetische Verflechtung der für die energeti­ sche Nutzung von Biomassen erforderlichen Prozeßstufen, und durch eine thermische Aufbereitung der Biomassen durch Trocknung und Schwelung, in deren Folge die Pro­ zeßstufe Vergasung eine hohe Raum-/Zeitausbeute erreicht.
Erfindungsgemäß wird das Gemisch aus Wasserdampf und Schwelgas aus der Prozeßstufe Trocknung und Schwelung von Biomassen oder anderen organischen Feststoffen mit Motor- oder Gasturbinenabgas bei Drücken bis 1,0 MPa und Temperaturen bis 1500°C verbrannt, und das dabei ent­ stehende Verbrennungsgas als Vergasungsmittel und Wir­ belmedium für die autotherme Vergasung der festen, koh­ lenstoffhaltigen Produkte aus der Schwelung zu Brenngas in einer Wirbelschicht bei Drücken bis 1,0 MPa und Tem­ peraturen bis 1200°C verwendet. Durch tangentiale Ein­ leitung des Vergasungsmittels in den Wirbelschichtreak­ tor wird erreicht, daß die festen, kohlenstoffhaltigen Produkte im Vergasungsreaktor rotieren, wodurch deren Verweilzeit im Vergasungsreaktor verlängert wird. Nicht vergaster Kohlenstoff wird in einem der Vergasung nach­ geschalteten Zyklon vom Vergasungsgas getrennt und der Vergasung erneut zugeführt, so daß die Vergasung prak­ tisch in einer rotierendzirkulierenden Wirbelschicht erfolgt. In Abhängigkeit von der Art und der Beschaffen­ heit der Biomasse oder der organischen Feststoffe ist es erfindungsgemäß möglich, die vorgeschlagene Vergasung wahlweise zu koppeln mit einer Schwelung mit indirekter Wärmeübertragung zur Sicherung des Wärmebedarfes der Trocknung und Schwelung, wobei die Wärme dafür aus dem aus der Wirbelschichtvergasung austretenden Vergasungs­ gas, Motor- oder Gasturbinenabgas indirekt entnommen wird, oder mit einer Schwelung im Fest- oder Wirbelbett, die nach dem Prinzip der Spülgasschwelung arbeitet, wobei als Spülgas und Wärmeträger 500 bis 1000°C heißes Vergasungsgas aus der Wirbelschichtvergasung verwendet wird, das nach Wärmeabgabe an die Biomasse oder den organischen Feststoff mit Wasserdampf, Teer und anderen flüchtigen Schwelprodukten beladen, der Vergasung wieder zugeführt wird. Es ist weiterhin erfindungsgemäß, daß das für die Verbrennung des Schwelgases erforderliche Gasturbinenabgas der Gasturbine eines Gasturboladers entnommen wird, die mit Verbrennungsgas beaufschlagt wird, das durch Verbrennen von verfahrenseigenem, komprimiertem Brenngas mit Druckluft bei 0,5 bis 4,0 MPa mit einem Luftüberschuß, bezogen auf den Min­ destluftbedarf der vollständigen Verbrennung, von minde­ stens 100% erzeugt wurde, und die den Kompressor für die Kompression des gekühlten und gereinigten Vergasungsgases antreibt, während das Brenngas, das nicht für den Antrieb dieses Gasturboladers zur Verdichtung des Vergasungsgases benötigt wird, als Brennstoff in einem bekannten Gasdampfkraftwerk, beste­ hend aus Gasturbinenanlage mit Abhitzekessel und Wasser­ dampfkreisprozeß mit Dampfturbinen und Wärmeauskopplung, verwendet wird.
Der Nutzeffekt der Erfindung besteht in der Steigerung der Elektroenergieausbeute bei der energetischen Nutzung von Biomassen und anderen organischen Feststoffen um 30 bis 50% gegenüber dem Stand der Technik bei ver­ gleichbarem energetischen Gesamtwirkungsgrad sowie der schadstoffarmen Umwandlung dieser Natur- und Abfallbrenn­ stoffe in einen für Hochleistungskraftmaschinen geeigne­ ten Brennstoff.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe des in Fig. 1 dargestellten technologischen Grobschemas eines Biomas­ se-Heizkraftwerkes mit einer Elektro- und Wärmeenergie­ abgabe von je 12 MW beschrieben. Die Biomasse, in diesem Beispiel Holz, wird als Rohmasse oder als Hackschnitzel angeliefert. Im Falle der Anlieferung von Rohholz erfolgt nach Abscheidung von Fremdstoffen, wie Steine, Eisen und anderes, eine Zerkleinerung mit bekannter Technik, z. B. mit Shreddern (1). Ebenfalls mit Hilfe bekannter Schleusensysteme werden die Holzhackschnitzel in eine Vorrichtung (2) eingebracht, die gasdicht und geeignet für die Trocknung und Schwelung der Biomasse ist. Im Beispiel wird dafür das Prinzip der Tellertrockner verwendet, wobei die Beheizung dieser Prozeßstufe mit Thermoöl im Gegenstrom erfolgt. Das durch Trocknung und Schwelung entstehende Gasgemisch wird getrennt von der gleichzeitig entstehenden Holz­ kohle aus der Prozeßstufe Trocknung/Schwelung (2) ausge­ tragen. Während die Holzkohle ggf. einer weiteren Zer­ kleinerung unterzogen oder teilweise einer externen Nut­ zung zugeführt wird, wird das wasserdampfhaltige Schwel­ gas direkt einer Brennkammer zugefahren (3) und dort mit Gasturbinenabgas bei Temperaturen von 1000 bis 1200°C verbrannt. In der Schwelung produzierte Holzkohle wird dem Wirbelschichtvergasungsreaktor (4) zugeführt, dort mit Hilfe des in (3) durch Verbrennung von Schwelgas mit Gasturbinenabgas erzeugten Vergasungsmittel fluidisiert und vergast. Das entstehende Gas wird im Zyklon (5), der mit dem Wirbelschichtvergaser (4) direkt verbunden ist, grob entstaubt und mit 850 bis 1100°C einer mehrstufi­ gen, indirekten Gaskühlung zugeführt. Das im Zyklon (5) abgeschiedene Grobgut enthält unvergasten Kohlenstoff, deshalb wird es mit bekannter Technik in den Wirbel­ schichtvergaser (4) zurückgeführt. Im Zuge der indirek­ ten Kühlung des Vergasungsgases gibt das Vergasungsgas den größten Teil seiner physikalischen Enthalpie im Rekuperator (19) an das in (13) komprimierte, gereinigte Brenngas und im Rekuperator (6) an ein Wärmeträgeröl ab, das für die indirekte Beheizung der Trocknung und Schwelung in (2) verwendet wird. Die indirekte Kühlung des Vergasungsgases wird mit dem Rekuperator (7), der Wasserdampf erzeugt und das Vergasungsgas auf 150°C kühlt, fortgesetzt.
Das Vergasungsgas wird anschließend in (8) mechanisch entstaubt. Eine weitere Kühlung und Feinreinigung erfolgt im Sprühtrockner (9), der für die Eindampfung der Waschlösungen und Abscheidung der dabei entstehenden Salze aus der nachfolgenden chemischen Gaswäsche (10) verwendet wird. In diesem Sprühtrockner (9) erreicht das Vergasungsgas noch nicht seinen Wasserdampftaupunkt. Die Abkühlung des Vergasungsgases auf seinen Wasser­ dampftaupunkt erfolgt in der chemischen Gaswäsche (10). Das entstaubte und chemisch gereinigte Vergasungsgas wird unter Abscheidung von Gaswasser, das in der Gas­ wäsche (10) und z. B. als Brauchwasser für den Betrieb eines nassen Rückkühlwerkes verwendet wird, in (11) indirekt auf 30°C gekühlt. Das so behandelte Verga­ sungsgas erreicht die Qualität von Brenngas, geeignet für den Betrieb von Hochtemperaturgasturbinen (12), die, gekoppelt mit einem Gasverdichter (13), als Gasturbola­ der für die Verdichtung des Brenngases z. B. auf einen für den Betrieb von Gasturbinenbrennkammern (14) übli­ chen Druck von 2,0 MPa und die Erzeugung von Vergasungs­ mittel für die Wirbelschichtvergasung in (3) oder gekop­ pelt mit einem Luftverdichter (15) und elektrischen Generator (16), als Gasturbinenanlage für die Erzeugung von Elektroenergie erforderlich ist. Das Abgas der Gasturbinenanlage (12, 15, 16) und das Überschußgas des Turboladers (12, 13) werden einem Abhitzekessel (17), der mit einer Zusatzfeuerung (18) ausgestattet ist, zugeführt und dort unter indirekter Wärmeabgabe an Was­ serdampfkreisprozesse und Heißwassersysteme auf 70 bis 150°C gekühlt.

Claims (4)

1. Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse, insbe­ sondere auf Basis schnell wachsender Gehölze und anderer Pflanzen sowie anderer organischer Feststoffe, wie ent­ wässerte Schlämme, Müll aller Art, aber auch von Kohle, bei dem die Umwandlung der festen organischen Substanzen in Brenngas durch Trocknung, Schwelung und Vergasung und die Umwandlung des so erzeugten Vergasungsgases in Elektroenergie und Wärme durch Kombination mit einem Gasdampfkraftwerk erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Wasserdampf und Schwelgas aus der Pro­ zeßstufe Trocknung und Schwelung mit Motor- oder Gastur­ binenabgas bei Drücken bis 1,0 MPa und Temperaturen bis 1500°C verbrannt, und das dabei entstehende Verbren­ nungsgas als Vergasungsmittel und Wirbelmedium für die autotherme Vergasung der festen, kohlenstoffhaltigen Produkte aus der Schwelung zu Brenngas in einer Wirbel­ schicht bei Drücken bis 1,0 MPa und Temperaturen bis 1200°C verwendet wird.
2. Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßstufe Vergasung mit einem Gasdampfkraftwerksprozeß mit Hilfe eines Gasturboladers gekoppelt wird, dessen Gasturbine mit Verbrennungsgas, erzeugt durch Verbrennen von ver­ fahrenseigenem Brenngas mit einem Luftüberschuß von min­ destens 100%, bezogen auf den Mindestluftbedarf der vollständigen Verbrennung, bei 0,5 bis 4,0 MPa, beauf­ schlagt wird, die einen Kompressor für die Kompression des gekühlten und gereinigten Vergasungsgases antreibt, und deren Abgas der Wirbelschichtvergasung als Verga­ sungsmittel und Wirbelmedium zugeführt wird.
3. Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festen, koh­ lenstoffhaltigen Produkte aus der Schwelung in der Wir­ belschichtvergasung rotierend-zirkulierend bewegt wer­ den, indem das Vergasungsgas tangential in die Wirbel­ schichtvergasung eingeleitet und nicht vergaster Kohlen­ stoff mit Hilfe eines Zyklons aus dem Vergasungsgas abgetrennt und zur Vergasung rückgeführt wird.
4. Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ schichtvergasung wahlweise gekoppelt ist mit einer Schwelung mit indirekter Wärmeübertragung oder einer nach dem Prinzip der Schwelgasspülung arbeitenden Schwelung, die als Spülgas und Wärmeträger 500 bis 1000°C heißes, verfahrenseigenes Vergasungsgas verwendet.
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