AT403726B

AT403726B - Verfahren zur verbrennung von biomasse

Info

Publication number: AT403726B
Application number: AT186094A
Authority: AT
Inventors: Herbert Dipl In Schroefelbauer; Josef Dipl Ing Tauschitz; Gerhard Dipl Htl Ing Moritz
Original assignee: Oesterr Draukraftwerke
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 1998-05-25
Also published as: ATA186094A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Biomasse, Sägespänen, Rinde, Holzschnitzel, Hackgut oder dgl. als additiven Brennstoff in einem mit einem Hauptbrennstoff beschickten Kraftwerkskessel, wobei die Biomasse in einem Reaktor entgast oder teilentgast und gegebenenfalls vergast wird und das so gebildete Gas dem Kraftwerkskessel zur gemeinsamen Verbrennung mit dem Hauptbrennstoff zugeführt wird, wobei mit dem Reaktorgasstrom dem Kraftwerkskessel nichtentgaste bzw. nicht vollständig ent-bzw. vergaste Biomasse-Partikel und Kokspartikel zur Verbrennung zugeführt werden. Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Auf dem Gebiet der Energiegewinnung wurden in letzter Zeit viele Versuche unternommen, Biomasse als Brennstoff einzusetzen. Einerseits um die zB. in Holzabfällen aus der Land- und Forstwirtschaft gebundene Energie zu nutzen, andererseits um von begrenzt vorhandenen Resourcen, wie Kohle und Erdöl auf rasch regenerierbare Resourcen umsteigen zu können.

Um Biomasse energetisch zu nutzen, könnte man einen Kessel speziell für diesen Brennstoff auslegen.

Dieser Kessel müsste jedoch über eine thermische Leistung von zumindest 200 MW verfügen, da sonst die Errichtung und der Betrieb dieser Anlage sehr unrentabel wäre. Die dabei erforderliche Mengen an Biomasse stehen jedoch oft lokal nicht bereit und es würden lange Transportwege und entsprechend hohe Kosten anfallen.

Eine sinnvolle Lösung stellt daher die Einbindung von Biomasse in kalorische Kraftwerke dar, da hier die bestehenden Anlagen zur Stromgewinnung zur Verfügung stehen und so die Investitionskosten beträchtlich gesenkt werden können. Biomasse kann jedoch in unbehandelter Form nicht in kalorischen Kraftwerken zugefeuert werden, da die Verweilzeit von 2 bis 3 Sekunden in den Brennkammern solcher Kraftwerke für einen vollständigen Ausbrand der Holzpartikel nicht ausreicht. Wenn aber Biomasse in einem Vergaser vorbehandelt wird, kann das produzierte brennbare Gas in einer Kraftwerksbrennkammer problemlos eingeleitet und mitverbrannt und dadurch Kohle oder Öl eingespart werden.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Gewinnung von Energie aus Biomasse sind im Hinblick auf die Erzielung möglichst hoher Gasqua) ität optimiert und müssen daher mit einer Vortrocknungsanlage für die eingesetzte Biomasse mit all ihren Problemen (Geruch) sowie mit nachgeschaltetem Gasfilter ausgerüstet werden.

Die DE-OS 3 733 831 offenbart eine Vorrichtung zur Verbrennung von organischen Substanzen, welche in einem Wirbelschichtreaktor teilweise verbrannt bzw. entgast werden. Die Abgase dieses Reaktors, welche nur einen geringen Heizwert haben, werden einem kohlenstaubgefeurerten Dampfkessel zugeführt, wobei Brennstoff- und Ascheteilchen mitgerissen werden. Grobes Unverbranntes wird wieder in den Reaktor zurückgeführt. Dadurch dass die Biomasse nur als additiver Brennstoff verwendet wird, können vorhandene kalorische Kraftwerke entsprechend umgerüstet werden, die lokal anfallende Biomasse zur Energiegewinnung herangezogen werden und dadurch Kohle oder Öl eingespart werden.

Andererseits kann bei diesem Verfahren auf die aufwendige Vortrocknung sowie die Entstaubung des Gases verzichtet werden, da aufgrund der Menge des durch die Biomasse erzeugten Gases die Gasqualität von untergeordneter Bedeutung ist und andererseits der im Verhältnis zur Kohle-Asche-Menge untergeordnete Anteil der Asche aus der Biomasse keine Rolle spielt.

Eine Vorrichtung zum Vergasen und anschliessendem Verbrennen von Biomasse in einem Kessel und Abscheidung und Rückführung von Unverbranntem bzw. Unvergastem ist aus der WO 81/01713 bekannt.

Die DE-OS 3 500 940 offenbart das Verbrennen von aus Holzabfällen hergestellten Schwelgasen, wobei mit dem Gas Schwebstoff zum Kessel gefördert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzusehen, bei dem Biomasse zur Energiegewinnung eingesetzt werden kann und das eine möglich vollständige Rückführung der zu grossen und daher bei der üblichen Verweilzeit im Kraftwerkskessel nichtverbrennbaren Partikel gewährleistet. Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Reaktor ein zirkulierender Wirbelschichtreaktor mit einer Brennkammer und einem Zyklon ist, wobei das Bettmaterial des Reaktors, das neben der Biomasse z. B. Quarzsand enthält, durch den Gasstrom in den Zyklon gebracht wird, in welchem Partikel abgeschieden werden, die eine Teilchengrösse überschreiten, welche im Kraftwerkskessel nicht vollständig verbrennbar sind, und dass die abgeschiedenen Partikel wieder dem Reaktor zugeführt werden.

Vorzugsweise scheidet der Zyklon Teilchen, die grösser als 100 u. m sind, ab und führt sie in die Brennkammer des Reaktors zurück. Mit diesem bevorzugten Verfahren kommen also nur Teilchen in den Kraftwerkskessel, die in der üblichen Verweitzeit von 2 bis 3 Sekunden vollständig verbrannt werden können. Während die grösseren Teilchen für eine weitere Entgasung bzw. Vergasung rezykliert werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich mit einer Vorrichtung durchführen, die einen Reaktor zur Entgasung oder Teilentgasung sowie Vergasung von Biomasse aufweist, der mit einer Brenngasleitung mit einem Kraftwerkskessel verbunden ist, der eine weitere Leitung zur Beschickung mit Hauptbrennstoff

aufweist. Vorzugsweise ist der Reaktor ein zirkulierender Wirbelschichtrekator, der eine Brennkammer sowie einen nachgeordneten Zyklon enthält, der einerseits über die Brenngasleitung mit dem Kraftwerkskessel und andererseits mit einer Rückführleitung mit der Brennkammer des Wirbelschichtreaktors verbunden Ist, wobei der Kraftwerkskessel eine weitere Leitung zur Beschickung mit Hauptbrennstoff aufweist.

Zirkulierende Wirbeisschichtreaktoren zeichnen sich durch hohe Brennstoffflexibilität aus und sind daher gegen Schwankungen des Feuchtgehaltes (und damit des Heizwertes) der Biomasse unempfindlich.

Weiters ist der Platzbedarf solcher Reaktoren wegen der hohen Energiedichte (3 bis 5 MW/m2) minimal.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt schematisch das erfindungsgemässe Verfahren, die Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des zirkulierenden Wirbelschichtreaktors.

Wie man in Fig. 1 sieht, wird von einem Kohlenlager 6 über eine entsprechende Leitung 7 Kohle in eine Kohlenmühle 8 gefördert und der dabei erzeugte Kohlenstaub wird in einen Kraftwerkskessel 5 eingebracht. Der Kraftwerkskessel 5 ist in herkömmlicher Weise mit einem Schornstein 12, der gegebenenfalls Vorrichtungen zur Rauchgesreinigung 13 vorsieht, ausgestattet und mit einer Dampfturbine 14 verbunden. Am Boden des Kessels 5 wird die bei der Verbrennung anfallende Asche und Schlacke 15 abgeführt.

Um Biomasse als additiven Brennstoff in dieser Anlage zu verwenden, wird von einem Biomasselager 1 Biomasse in einen Reaktor 2 gebracht, dort entgast oder teilentgast sowie teilweise vergast und der Gasstrom, welcher nicht entgaste bzw. nicht vollständig entgaste Biomassepartikei sowie teilweise vergaste Holzkohlepartikel enthält, wird über die Brenngasleitung 4 dem Kraftwerkskessel 5 zugeführt. Sind die mitgeführten Partikel hinreichend klein, so können sie in der herkömmlichen Verweilzeit des Brennstoffes von 2 bis 3 Sekunden im Kraftwerkskessel vollständig verbrannt werden.

Die Biomasse wird in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor 2 entgast und vergast, d. h. unter Luftmangel verbrannt, wobei das Rauchgas je nach Feuchtegehalt der Biomasse bis zu 50% aus brennbaren Komponenten (hauptsächlich Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffgase) besteht.

Der prinzipielle Aufbau eines solchen zirkulierenden Wirbelschichtreaktors ist in Fig. 2 dargestellt. Er enthält eine Brennkammer 10, der über eine Zuleitung 16 Biomasse zugeführt wird. Über ein Düsensystem 17, das sich am Boden der Brennkammer 10 befindet, wird Vergasungsluft zugeführt. Durch die Gasströmung wird das Bettmaterial (Biomasse + Quarzsand) nach oben transportiert. Im Zyklon 9 werden nicht vollständig entgaste Biomassepartikel und der Sand aus der Gasströmung separiert und über eine Rückführleitung 11, die im dargestellten Beispiel als Siphon ausgeführt ist, in die Brennkammer 10 rückgeführt. Dadurch erfolgt eine weitgehende Entgasung und Vergasung der Biomasse. Biomassepartikel bzw.

Holzkohlepartikel, die vorzugsweise kleiner als 100 um sind, werden vom Zyklon 9 nicht zurückgehalten und werden mit der Gasströmung über die Brenngasleitung 4 in den Kraftwerkskessel 5 transportiert und brennen dort vollständig aus. Das im Wirbelschichtreaktor 2 entstehende Gas hat eine Temperatur von 500 bis 900. C und kann ohne vorherige Abkühlung direkt in den Feuerraum eingeleitet werden, in dem eine Temperatur von über 1000. C vorherrscht. Der Wirbelschichtreaktor 2 kann daher auch komplett ohne eingebaute Heizflächen ausgeführt werden und ist im Grunde nur ein ausgemauerter Reaktionsbehälter ohne innere Einbauten. Am Boden der Brennkammer 10 ist ein Aschetrichter 3 zum Abziehen der entstehenden Asche vorgesehen.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Verbrennung von Biomasse, Sägespänen, Rinde, Holzschnitzel, Hackgut oder dgl. als additiven Brennstoff In einem mit einem Hauptbrennstoff beschickten Kraftwerkskessel, wobei die Biomasse in einem Reaktor entgast oder teilentgast und gegebenenfalls vergast wird und das so gebildete Gas dem Kraftwerkskessel zur gemeinsamen Verbrennung mit dem Hauptbrennstoff zuge- führt wird, wobei mit dem Reaktorgasstrom dem Kraftwerkskessel nichtentgaste bzw. nicht vollständig ent-bzw. vergaste Biomasse-Partikel und Kokspartikel zur Verbrennung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (2) ein zirkulierender Wirbelschichtreaktor mit einer Brennkammer (10) und einem Zyklon (9) ist, wobei das Bettmaterial des Reaktors (2), das neben der Biomasse z. B. Quarzsand enthält, durch den Gasstrom in den Zyklon (9) gebracht wird, in welchem Partikel abgeschieden werden, die eine Teilchengrösse überschreiten, welche im Kraftwerkskessel (5) nicht vollständig verbrennbar sind, und dass die abgeschiedenen Partikel wieder dem Reaktor zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zyklon (9) Partikel grösser 100 um aus dem Gasstrom abscheidet und der Brennkammer (10) des Reaktors (2) zur nochmaligen Entgasung wieder zuführt. <Desc/Clms Page number 3>
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Reaktor (2) zur Entgasung oder Teilentgasung und gegebenenfalls Vergasung von Biomasse vorgesehen ist, der mit einer Brenngasleitung (4) mit einem Kraftwerkskessel (5) verbunden ist, der eine weitere Leitung zur Beschickung mit Hauptbrennstoff aufweist.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelschichtreaktor (2) eine Brennkammer (10), sowie einen nachgeschalteten Zyklon (9) aufweist, der einerseits mit der Brenngasleitung (4) mit dem Kraftwerkskessel (5) und andererseits über eine Rückführleitung (11) mit der Brennkammer (10) verbunden ist, wobei der Kraftwerkskessel (5) eine weitere Leitung zur Beschickung mit Hauptbrennstoff aufweist.