DE102005030096A1 - Energiewandlungssystem für feste Biomasse - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Energieumwandlungssystem für feste Biomasse auf Basis eines Vergasungsdruckreaktors in Verbindung mit einem Blockheizkraftwerk mit Gasturbine beschrieben, das die folgenden Merkmale aufweist: DOLLAR A È Die Turbinenbrennkammer ist in den Reaktor integriert. DOLLAR A È Die Gasaufbereitungs- und Reinigungsprozesse werden Reaktor-intern durch Nachcrackung und Schadstoffverbrennung realisiert. DOLLAR A È Der Kesseldruck wird durch Heißgaseinblasung und somit energetisch genutzt. Da der Schwachgasanteil mit ca. 33% des Brennluftanteils sehr hoch ist, ergibt sich durch die Ausnutzung des Kesseldrucks ein erheblicher Wirkungsgradvorteil. DOLLAR A È Schadstoff-Entsorgung erfolgt intern unter energetischer Nutzung. DOLLAR A È Alle anfallenden Energiekomponenten werden energetisch genutzt, dadurch optimale Energieausbeute und absolut ökologisches System. DOLLAR A È Kein Aufkommen von Abfällen, keine Entsorgungskosten. DOLLAR A È Geringer Platzbedarf. DOLLAR A È Kostengünstige Anschaffung und erst dadurch wirtschaftlicher Betrieb für kleine und mittlere Anlagen.

Description

  • Allgemeines
  • Die Erfindung betrifft ein Energiewandlungssystem in Form einer Vergasungsanlage für feste Biomasse (im Wesentlichen Holz) in Verbindung mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) auf Turbinenbasis vorwiegend für kleine bzw. mittlere Anlagen und vorwiegend zur Stromproduktion, jedoch auch zur thermischen Restenergienutzung.
  • Historie:
  • Kleine Holzvergasungsanlagen z.B. für KFZ-Betrieb sind allgemein seit den Jahren des 2. Weltkriegs bekannt (Imbertverfahren). Sie konnten aber nie Marktreife erlangen. Das wesentliche Problem ist die wirtschaftliche Beherrschung der Teerkondensation und anderer Schadstoffe.
  • Selbst Großanlagen, die als rentabel gelten, haben einen schlechten Wirkungsgrad, weil für die Gasreinigungsprozesse Energie vernichtet und zusätzlich benötigt wird. Bisherige Anlagen beinhalten einen enormen technischen und damit finanziellen Aufwand an externen Gasreinigungskomponenten wie z.B.: Zyclon, Gaskühler, Gaswäscher, Prallwandbehälter, Kondensator, Kondensatbehälter, Gastrockner, Absitzbehälter etc.; und außerdem Entsorgungsaufwand und damit Kosten.
    •
  • Beschreibung
  • Anhand der schematischen Darstellungen werden Einzelheiten der Erfindung erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 einen vertikalen Schnitt durch eine Druck-Vergasungsanlage im Vergasungs- u. Verbrennungsbereich „autothermes" Verfahren
  • 2 einen vertikalen Schnitt durch eine Druck-Vergasungsanlage im Vergasungs- u. Verbrennungsbereich „autotherm/allothermes" Verfahren
  • 3 einen vertikalen Schnitt durch eine Druck-Vergasungsanlage im Vergasungs- u. Verbrennungsbereich „allothermes" Verfahren
  • 4 einen vertikalen Schnitt durch eine Druck-Vergasungsanlage im Asche-Entsorgungsbereich
  • 5 einen vertikalen Schnitt durch ein Verdichter-Turbinenrad
  • Für alle Vergasungsverfahren wird vorwiegend ein Druckreaktor vorgesehen, um den Reaktorinnendruck für den hohen Anteil an Heißgasbeschickung für die Turbine energetisch zu nutzen.
  • Beschreibung der einzelnen Verfahren.
  • 1.) Gemäß 1 -autothermes Vergasungsverfahren-
  • Das Vergasungsgut z. B. Stückholz wird nach Öffnen des oberen Schiebers (27) durch den Aufgabetrichter (2) in die Füllschleuse (3) eingebracht. Nach Schließen des oberen Schiebers (27) und Öffnen des unteren Schiebers (28) fällt das Vergasungsgut in den Reaktor (1). Danach wird der Schieber (28) wieder geschlossen. Die Zündung (5) der Verschwelphase (8) erfolgt im unteren Bereich der Vergasungszone (8) mit Fremdenergie (Gas/Öl.). Durch die im Reaktor allgemein vorhandene Hitze wird das Vergasungsgut (4) vorgetrocknet. Im Vergasungsbereich (8) verschwelt das Vergasungsgut (nach einmaliger Fremd-Zündung 5) unter Zugabe von Luft (6) aus dem Verdichter (20). Das dabei entstehende Pyrolysegas (10) strömt durch den Rost (9), bestreicht die Brennkammer (14) und wird über eine innen liegende Rohrleitung (12) der Brennkammer (14) zugeführt. Hier wird es unter Luftzugabe (13) aus dem Verdichter (20) verbrannt und über die Nachbrenndüse (15) nachverbrannt. Das verbrannte Gas (18) wird durch den Kesselüberdruck über ein Ventil (17) in die Turbine (19) gepresst. Die Turbine (19) treibt auf gleicher Welle den Verdichter (20) an. Dieser liefert die Verschwelluft (6) und die Verbrennungsluft (13). Die Turbine (19) treibt (in der Regel) auf gleicher Welle als Hauptarbeit auch einen Generator an. Verdichtungs- und Hauptarbeit können auch auf zwei oder mehrere Turbinen (19) aufgeteilt werden. Nach Verlassen der Turbine (19) wird das Abgas (21) durch einen Recuperator (Wärmetauscher) (22) geführt, und heizt dadurch die verdichtete Brennluft (13) und Verschwelluft (6) vor. Danach wird dem teilabgekühlten Abgas (23) in einem Wärmetauscher (24) die Restwärme zur thermischen Nutzung entzogen. Nach dem Wärmetauscher (24) wird das abgekühlte Restabgas (25) dem Kamin (26) zugeführt. Zum periodischen Nachladeprozess wird zunächst mittels der Pumpe (30) über das Dreiwegeventil (29) der Schleusenraum (3) druckentleert (entgast). Dann wird verfahren wie oben angegeben.
  • 2.) Gemäß 2 -autotherm/allothermes Vergasungsverfahren-
  • Die Grundstruktur der Anlage ist identisch mit der oben beschriebenen. Zusätzlich wird der in den Reaktor (1) integrierten Turbinen-Brennkammer (14) ein ebenfalls in der Heißgaszone des Reaktors (1) liegender Wärmetauscher (16) nachgeschaltet, der das Brenngas (10) auf ca 800 bis 900 Grad aufheizt und zu einem höherwertigen Brenngas (11) nachcrackt. Das Brenngas (11) wird über die Rohrleitung (12) der Brennkammer (14) zugeführt. Der weitere Prozessablauf erfolgt wie vor beschrieben.
  • 3.) Gemäß 3 -allothermes Vergasungsverfahren-
  • Die Grundstruktur der Anlage ist identisch mit der vor beschriebenen. Zusätzlich werden in den Reaktor mehrere Brennkammern (14) mit integrierten Wärmetauschern (16) eingebaut. Dadurch wird eine innen liegende, sogenannte „äußere" Verbrennung bereit gestellt, sodass sich das Vergasungsvolumen ohne Luftzufuhr fast über den gesamten Kesselinhalt 4 erstreckt. Das führt zu den gewünschten, extrem langen Gasverweilzeiten, die höchste Gasqualitäten sicherstellen. Der mit Luft (6) betriebene Pyrolysekomplex (8 1 + 2) wird dadurch auf ein Minimum (6–7–8) (3) reduziert. und es wird ein hochwertiges Brenngas ohne die üblichen Energieverluste produziert.
  • 4.) Gemäß 4 -das Ascheentsorgungsverfahren-
  • Das durch den Rost (9) fallende Ascheaufkommen (31) wird mit der innerhalb der Heißzone des Reaktors liegenden Förderschnecke (32) dem Vergasungsgut (4) wieder zugeführt zur restlosen Vergasung.
    • 1
    Reaktor
    2
    Aufgabetrichter
    3
    Befüllschleuse
    4
    Vergasungsgutfüllung
    5
    Zündvorrichtung
    6
    Luftzufuhr für Pyrolysephase
    7
    Luftdüsen
    8
    Vergasungszone
    9
    Rost
    10
    Pyrolysegas
    11
    Brenngas
    12
    Brenngasführung
    13
    Verbrennungsluft
    14
    Brennkammer
    15
    Nachbrenndüse
    16
    Wärmetauscher
    17
    Ventil
    18
    Druckgas
    19
    Turbine
    20
    Verdichter
    21
    Abgas
    22
    Recuperator (Wärmetauscher)
    23
    teilabgekühltes Abgas
    24
    Wärmetauscher
    25
    abgekühltes Restabgas
    26
    Kamin
    27
    Schieber oben
    28
    Schieber unten
    29
    Dreiwege-Ventil
    30
    Schraubenkompressor
    31
    Ascheaufkommen
    32
    Ascherückführung zum Vergasungsgut
    33
    Zyclon
    34
    Verdichterrad
    35
    Turbinenschaufeln
    36
    Abdichtbereich
    37
    Druckgas
    38
    Lufteintritt
    39
    Verdichterluft
    40
    Drei-Wege-Ventil
    41
    Heizungsbrennkammer
    42
    Brikettierpresse
    43
    Schleusenwirkung
    44
    Vergasungsgut
    45
    Drehrohrofen/Schneckengehäuse
    46
    Brenngut
    47
    Schieber
    48
    Feuchtigkeit
    49
    siebartiger Zylinderbereich

Claims (23)

  1. Druck-Vergasungsanlage (1) mit Schleusenbeschickung (3) für feste Biomasse in Verbindung mit einem Blockheizkraftwerk auf Basis einer Gas-Tubine (19–20) zur Strom- u. Wärmeproduktion dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinen-Brennkammer (14) einen langen Verbrennungsweg aufweist, der die für Schwachgase erforderliche Verweilzeit des Verbrennungsvorgangs sicherstellt.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die (Turbinen-) Brennkammer (14) eine oder mehrere Nachbrennstationen (15) zur Schadstoffverbrennung bzw. besseren Energieausbeute beinhaltet.
  3. System nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Turbinen-Brennkammer (14 + 15) auch innerhalb des Vergasungsreaktors (1) liegen kann.
  4. System nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Ascheentsorgung (31–32) und ebenso die Schadstoffentsorgung intern durch Verbrennung erfolgen.
  5. System nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Asche (31) -u. Schadstoffentsorgung energetisch genutzt wird.
  6. System nach Ansprüchen 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Ascherückförderung (32) innerhalb des Reaktors (1) liegt.
  7. System nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (19) mit Gaseinlassventil (17) direkt an den Gasübergabestutzen des Reaktors (1) angebaut ist, um Ablagerungen in Leitungen und Temperaturverluste zu vermeiden.
  8. System nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Vergasung und Verbrennung entstehende Gesamt-Kesseldruck auf dem Wege der Gaseinblasung (18) in die Turbine (19) energetisch voll genutzt wird
  9. System nach Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Kessel- u. Brennkammer-Druckleistung auf mehrere Turbinen (19) verteilt werden kann.
  10. System nach Anspruch 1 (1 + 2) dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwelphase (Pyrolysephase) (8) durch eine Anzahl und Anordnung von entsprechend langen Luftzufuhrdüsen (7) und einer langen Ringdüse (7) ein großes Verschwelvolumen und damit eine lange Verweilzeit des Gases ermöglicht.
  11. System nach Anspruch 1 (1 + 2) dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwelphase (Pyrolysephase) (8) durch eine Anzahl und Anordnung von entsprechend langen Luftzufuhrdüsen (7) und einer langen Ringdüse (7) ein großes Verschwelvolumen (8) und dadurch eine hohe Effizienz bei geringem Bauvolumen des Kessels ermöglicht.
  12. System nach Ansprüchen 1 bis 9 (3) dadurch gekennzeichnet, dass beim allothermen Vergasungsverfahren 1 oder mehrere Turbinen-Brennkammern (14–15) und Wärmetauscher (16) für die Aufheizung des Nachcrackvorgangs in den Vergasungsgutbereich (4) des Reaktors (1) integriert sind.
  13. System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Zyclon zur Partikelabscheidung innerhalb des Reaktors (1) liegt und dessen Abscheidungen dem Vergasungsgut zur restlosen Vergasung zugeführt werden.
  14. System nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gasaufbereitungsprozesse innerhalb des Reaktors (1) in der Heißzone liegen und somit energetisch genutzt werden.
  15. System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenradschaufeln (35) (5) auf der Rückwand des Verdichterrades (34) angebracht sind und somit auf das Separat-Bauteil „Turbinenrad" verzichtet werden kann.
  16. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die (Turbinen-) Brennkammer (14) in einen drucklosen Reaktor integriert oder diesem nachgeschaltet ist und die Brenngase (10–11) von der Verdichterluft (13) auf dem Wege über eine, auch regelbare, Venturi-Düse (40) (6). angesaugt und der Brennkammer (14) als Gemisch zur Verbrennung zugeführt werden.
  17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein druckloser Reaktor (1) 7 (konstruktiv wie die üblichen Holzvergasungsheizkessel) am Schwelgasausgang ein 3-Wege-Ventil (40) aufweist, über das der Brenngasstrom (10–11) wahlweise in eine konventionelle Heizungsbrennkammer (41) oder gemäß 6 in eine Turbinenbrennkammer (14–15) geleitet werden kann, sodass nach Wahl entweder nur Wärme oder vorwiegend Strom erzeugt werden kann.
  18. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Beschickung eines Druckreaktors (1) oder drucklosen Reaktors (1) 8 mit Vergasungsgut (44) unter Einsatz einer Brikettierpresse (42) für z. B. (Holz)-Späne erfolgt, die direkt an den Reaktor (1) angebaut ist und auf Grund ihrer Konstruktion (Schieber/Kolben 43) eine Schleusenwirkung beinhaltet und somit bei Druckreaktoren die erforderliche Schleusenwirkung für die Beschickung ersetzt.
  19. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsprozess (8) (9) in einem im Reaktor (1) liegenden Schneckengehäuse oder Drehrohrofen (45) durch die im Reaktor (1) liegende Brennkammer (14) beheizt wird und ohne Pyrolyse und damit ohne Luftstickstoff auskommt.
  20. System nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Druckreaktor (1) (10) als Brennkammer (14) wirkt und alle verbrannten Gase (18) durch den sich entwickelnden Druck der Turbine (19) zur energetischen Nutzung zugeführt werden.
  21. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsprozess (8) (11) in einem im Reaktor (1) liegenden Behälter (45) für pastöse oder flüssige Brennstoffe (4) durch die im Reaktor (1) liegende Brennkammer (14) nach Fremdenergiestart (5) beheizt wird.
  22. System nach Ansprüchen 1–21, dadurch gekennzeichnet, dass als Vergasungsverfahren ein Brennstoff-Gemisch aus hoch feuchtem Vergasungsgut (z. B. frisch geerntete Biomasse) (4) (9) und hochenergetischem Vergasungsgut (z.B. Bioöle, Biokohle) gewählt wird, um den überschüssigen Wasserdampfanteil des feuchten Vergasungsgutes zur Reformierung zu Wasserstoff nutzen zu können.
  23. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß 12 hochfeuchte Vergasungsmaterialien (z. B. waldfrische Holzhackschnitzel, Grünschnitt) (44) ohne Vortrocknung oder Vorsortierung in einem Arbeitsgang im Rahmen des üblichen Ladevorganges vor Öffnung des Schiebers (47) gegen diesen gedrückt, durch den Kolben (43) ausgepresst und nach Öffnung des Schiebers (47) weiter in den Reaktor (1) transportiert werden. Die Feuchtigkeit (48) wird durch den siebartig gebohrten Zylinder-Bereich (49) oder durch feine Ausfräsungen am Zylinderende aus dem Vergasungsgut (44) herausgepresst. Die Ansteuerung zur Feuchtigkeitsauspressung während des Ladevorganges erfolgt durch Feuchtigkeitsmessung des Vergasungsguts (44) unmittelbar vor Einbringung in die Anlage.
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