DE102008058501A1 - Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Herstellung von Bioethanol - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Herstellung von Bioethanol, bei dem organische Abfallprodukte des Herstellungsprozesses, insbesondere DGS und DDGS, verbrannt und die so gewonnene Nutzwärme der Anlage selbst wieder zugeführt wird.
- Es ist bekannt, in Anlagen zur Herstellung von Bioethanol die organischen Abfallprodukte, die in Form von Schlempen aber auch in Form von getrockneten, körnigen Produkten anfallen und insbesondere unter den Bezeichnungen DGS und DDGS bekannt sind, zu verbrennen und die so gewonnene Nutzwärme in der Anlage selbst wieder zu verwenden. Dies lässt sich beispielsweise dem Internetlexikon WIKIPEDIA, Stand Oktober 2008, Stichwort ”Bioethanol” entnehmen. Über die Art des Verbrennungsprozesses und die dabei auftretenden Temperaturen ist in dieser Literaturstelle nichts zu finden.
- Die derzeit gebräuchlichsten Entsorgungsarten von DGS bzw. DDGS sind die als Viehfutter, als Dünger, als Substrat in Biogasanlagen sowie die Verbrennung in Biomasse-Heizkraftwerken. Bei diesen Entsorgungsarten werden die organischen Abfallprodukte vom Ort der Bioethanolanlage zum Entsorgungsort transportiert.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass insgesamt ein rationellerer Betrieb der An lage zur Herstellung von Bioethanol und eine kostensparende Entsorgung der organischen Abfallprodukte möglich ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
- a) die Abfallprodukte in einem Wirbelschichtofen verbrannt werden und allen Räumen, in denen der Verbrennungsprozess stattfindet, so viel Wärme entzogen wird, dass an keiner Stelle die Schmelztemperatur der Asche der Abfallprodukte, insbesondere 700°C, überschritten wird;
- b) die Nutzwärme zum Teil aus den bei der Verbrennung entstehenden Rauchgasen und zum Teil aus der dem Verbrennungsprozess zur Einhaltung der Maximaltemperatur entzogenen Wärme gewonnen wird.
- Die Erfindung baut auf dem in der o. g. Literaturstelle ”WIKIPEDIA” zu findenden Grundgedanken auf, die organischen Abfallprodukte aus dem Bioethanol-Herstellungsprozess nicht an einem anderen Ort zu entsorgen sondern vor Ort zu verbrennen und die so gewonnene Nutzwärme in der Anlage selbst wieder zu verbrauchen. In einer Bioethanol-Herstellungsanlage finden sich viele Möglichkeiten, Wärme zu nutzen, sei dies nun, um Dampf herzustellen, oder sei dies, um direkt Anlagenteile oder Materialien zu erwärmen.
- Die Erfindung geht über diesen bekannten Grundgedanken hinaus und schlägt vor, den Verbrennungsprozess in einem Wirbelschichtofen durchzuführen. Wird in diesem der Verbrennungsprozess so geführt, dass an keiner Stelle die Schmelztemperatur der Asche der Abfallprodukte überschrit ten wird, fällt eine feinkörnige feste Asche an, die sich in das Wirbelschichtbett einmischt und aus diesem problemlos entsorgt werden kann. Würde man nicht, wie von der Erfindung vorgeschlagen, dem Verbrennungsprozess Wärme entziehen, so würde die Temperatur auf einen Wert ansteigen, bei dem die entstehende Asche schmilzt. Flüssige Asche ist jedoch sehr viel schwieriger zu entsorgen als feste, feinkörnige, wie sie beim erfindungsgemäßen Verfahren entsteht.
- Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Abkühlung des Verbrennungsraumes auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Asche der Abfallprodukte geht auch mit keinem nennenswerten Verlust des thermischen Wirkungsgrades einher, da die entzogene Wärme ebenso wie die in den Rauchgasen selbst enthaltene Wärme genutzt wird.
- Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Wirbelschichtofen herrschen, ist es möglich, auf eine feuerfeste Ausmauerung des Gehäuses des Wirbelschichtofens zu verzichten. Dies hat nicht nur erhebliche Kostenvorteile; aufgrund der geringeren Massen kann das Anfahren und das Abkühlen des Wirbelschichtofens sehr viel schneller als bei vorhandener Ausmauerung erfolgen.
- Wie schon oben angedeutet, besteht eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass die Nutzwärme zumindest teilweise zur Erzeugung von Dampf verwendet wird.
- Zum Entziehen der Wärme aus dem Verbrennungsrozess kann mindestens ein Wärmetauscher benutzt werden, der von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. Die Geometrie und der Anbringungsort des oder der Wärmetauscher wird nach den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten so gewählt, dass das Ziel, eine Maximaltemperatur im Verbrennungsprozess einzuhalten, erreicht wird.
- Das Wärmeträgermedium kann Wasser sein. Diese Variante ist insbesondere dort von Vorteil, wo eine direkte Dampferzeugung angestrebt wird.
- Alternativ kann das Wärmeträgermedium ein Thermoöl sein. Über dieses Thermoöl wird aus dem Verbrennungsprozess zunächst die Wärme ausgetragen; die weitere Verwertung dieser Wärme ist dann beliebig.
- Aus energetischen Gründen kann es zweckmäßig sein, wenn die Luft, welche zur Erzeugung der Wirbelschicht verwendet wird, durch die aus dem Wirbelschichtofen austretenden Rauchgase vorerwärmt wird.
- Abfallprodukte, die sich beim Einbringen oberhalb der Wirbelschicht entzünden würden, sollten grundsätzlich direkt in das Wirbelbett eingebracht werden, damit sie möglichst gleichmäßig verteilt und vollständig verbrannt werden.
- Bei Abfallprodukten, die sich beim Einbringen oberhalb der Wirbelschicht nicht entzünden, ist eine Fallunterscheidung erforderlich: Sind sie so beschaffen, dass sie im Gassstrom oberhalb der Wirbelschicht aufsteigen würden, sollten sie ebenfalls direkt in die Wirbelschicht eingebracht werden. Sind sie aber so beschaffen, dass sie im Gasstrom oberhalb der Wirbelschicht absinken, sollten sie oberhalb der Wirbelschicht eingebracht werden. Bei dieser Wahl des Einbringungsortes der Abfallprodukte tritt jeweil eine bestmögliche Vermischung und Verbrennung der Abfallprodukte ein.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; die einzige Figur zeigt schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Die insgesamt mit dem Bezugszeichen
1 gekennzeichnete Anlage umfasst als Hauptkomponente einen Wirbelschichtofen2 , der in seinem grundsätzlichen Aufbau bekannt ist. Sein Gehäuse3 ist aus drei koaxialen Abschnitten3a ,3b ,3c zusammengesetzt, die alle rotationssymmetrisch sind. Der unterste Abschnitt3a ist zylindrisch; an diesen schließt sich oben ein sich konisch erweiternder Abschnitt3b an, über dem schließlich ein erneut zylindrischer Abschnitt3c angebracht ist. Das Gehäuse3 besteht aus einem hochwarmfesten Stahl mit einer Wandstärke von etwa 10 bis 15 mm und ist nicht mit einer feuerfesten Ausmauerung versehen, wie dies bei bekannten Wirbelschichtöfen dieser Art im Allgemeinen der Fall ist. - Der unterste Bereich
3a des Gehäuses3 ist durch einen horizontalen Düsenboden4 in zwei Kammern unterteilt. Die untere Kammer4a dient als Luftkammer. Ein Gebläse5 saugt aus weiter unten erläuterten Gründen wahlweise direkt über eine Leitung25 oder über einen Wärmetauscher13 Luft aus der Außenatmosphäre an und führt diese in die Luftkammer4a ein. Einem mit der Luftkammer4a verbundenen Brenner6 wird Erdgas als Verbrennungsgas über eine schematisch angedeutete Leitung7 und Verbrennungsluft8 zugeführt. - In der oberen Kammer
4b und bis in den Abschnitt3b des Gehäuses3 hineinragend ist ein Wirbelschichtbett9 vorgesehen, das aus einem körnigen, inerten und temperaturbeständigen Material, insbesondere Sand, be steht. Oberhalb des oberen Niveaus des Wirbelschichtbettes9 lässt sich über eine schematisch dargestellte Leitung10 in das Innere des Gehäuses3 das zu verbrennende Abfallprodukt aus der Bioethanolherstellung einbringen, bei dem es sich um DGS oder DDGS handeln kann. Dieser Einbringungsort ist nach dem oben Gesagten besonders für solche Abfallprodukte geeignet, die vergleichsweise feucht und schwer und nicht leicht entzündlich sind. - Der oberhalb des Wirbelschichtbettes
9 liegende Innenraum11 des Gehäuses3 dient als Beruhigungsraum. Aus ihm können über eine Leitung12 die heißen Rauchgase abgeführt und über den Wärmetauscher13 einem Dampferzeuger14 zugeleitet werden. Der Dampferzeuger14 kann eine beliebige bekannte Bauweise besitzen, die im Einzelnen nicht beschrieben zu werden braucht. In den Dampferzeuger14 tritt über eine Leitung26 Wasser ein; das im vorliegenden Fall gewünschte Endprodukt des Prozesses, nämlich heißer Dampf, tritt über eine Leitung16 und über eine Leitung16 das abgekühlte Rauchgas aus, das dann einem Kamin zugeführt werden kann. - Sowohl in dem Wirbelschichtbett
9 als auch in dem oberhalb des Wirbelschichtbettes9 liegenden freien Innenraum11 des Gehäuses3 sind Wärmetauscher17 ,18 angebracht. Die Wärmetauscher17 ,18 können jede beliebige Form besitzen, sofern sie nur Folgendes leisten: Sie müssen in der Lage sein, den gesamten Verbrennungsraum des Gehäuses3 , d. h., sowohl den vom Wirbelschichtbett9 eingenommenen Raum als auch den darüberliegenden Freiraum11 , bei der Verbrennung der Abfallprodukte auf eine Temperatur abzukühlen, die unterhalb des Schmelzpunktes der Asche dieser Abfallprodukte liegt. Diese Temperatur muß zuverlässig möglichst konstant im gesamten Innenraum des Ofens3 unterschritten werden. Bei der hier in Betracht gezogenen Verbrennung von DGS bzw. DDGS bedeutet dies, dass eine Temperatur von etwa 650° bis 700°C an keiner Stelle überschritten werden darf. In welcher Weise die Wärmetauscher17 ,18 hierzu ausgebildet sein müssen, lässt sich durch einfache Versuche für die jeweilige Geometrie des Wirbelschichtofens2 und die jeweils zu verbrennenden Abfallprodukte ermitteln. - Die Wärmetauscher
17 ,18 liegen in einem Wärmeträgerkreislauf, in dem ein Thermoöl mittels einer Pumpe19 in Umlauf gehalten wird. Eine Zirkulationsleitung20 führt hierzu ausgehend von der Druckseite der Pumpe19 zunächst über den Wärmetauscher18 und sodann zum unteren Wärmetauscher17 . Von dort wird das Thermoöl weiter über die Leitung20 zu einem Wärmetauscher21 gebracht, der selbst innerhalb des Dampferzeugers14 untergebracht ist, dort dem Thermoöl Wärme entzieht und diese zur Unterstützung der Dampferzeugung abgibt. Sodann kehrt das abgekühlte Thermoöl zur Pumpe19 zurück. - Die oben beschriebene Anlage
1 wird wie folgt betrieben:
Beim Anfahren der Anlage1 wird zunächst der Luftkammer4a mit Hilfe des Gebläses5 Luft zugeführt, die über die Leitung22 und entweder über die Leitung25 oder über den Wärmetauscher13 aus der Umgebungsluft angesaugt wird. Da zu diesem Zeitpunkt der Wärmetauscher13 noch kalt ist, besitzt die angesaugte Luft zunächst in beiden Fällen Umgebungstemperatur. - Die in die Luftkammer
4 eingeblasene Luft strömt durch die Düsenplatte4 hindurch und fluidisiert das darüberliegende Bett aus Sand, so dass die eigentliche Wirbelschicht9 entsteht. - Mit Hilfe des Brenners
6 , dem über die Leitungen7 und8 Erdgas bzw. Verbrennungsluft zugeführt wird, wird die in den Verbrennungsraum des Ofens3 über die Düsenplatte4 eingeblasene Luft und damit auch die Wirbelschicht9 auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher das nunmehr über die Leitung10 eingebrachte Abfallprodukt aus der Bioethanolherstellung zu brennen beginnt. Ist dieses Abfallprodukt ausreichend energiereich, kann nach dieser Startphase der Betrieb des Brenners6 reduziert oder ganz eingestellt werden. - Mit Hilfe der Wärmetauscher
17 ,18 , durch welche die Pumpe19 Thermoöl pumpt, wird innerhalb des Wirbelschichtbettes9 und des darüberliegenden Freiraumes11 in der oben schon geschilderten Weise eine Temperatur aufrecht erhalten, welche unterhalb der Schmelztemperatur der Asche des Abfallproduktes liegt. - Dies bedeutet, dass sich im Laufe der Zeit feste, feinkörnige und rieselfähige Asche in dem Wirbelschichtbett
9 anreichert. Die Höhe des Wirbelschichtbettes9 wächst während des Betriebes daher an. Durch Messen des Druckabfalles an dem Wirbelschichtbett9 mit Hilfe geeigneter Sensoren wird festgestellt, wann das Wirbelschichtbett9 eine bestimmte Höhe erreicht hat, die nicht überschritten werden soll. Dann wird durch einen geeigneten, nicht dargestellten Austragmechanismus über die Leitung27 aus dem Wirbelschichtbett9 Material ausgetragen, das aus einer Mischung aus Asche und Sand besteht. Diese Mischung lässt sich, sofern gewünscht, in hier nicht näher beschriebener Weise wieder trennen, so dass die Asche entsorgt und der Sand ggfs. in das Wirbelschichtbett9 zurückgebracht werden kann. - Die den Wirbelschichtofen
2 über die Leitung12 verlassenden Rauchgase können in verhältnismäßig geringem Ausmaße noch Aschepartikel mit sich führen. Diese können ggfs. durch einen in der Leitung12 liegenden, in der Zeichnung jedoch nicht dargestellten Zyklon aus den heißen Rauchgasen entfernt werden. Letztere treten durch den Wärmetauscher13 hindurch und wärmen nunmehr die Luft vor, die über die Leitung22 von dem Gebläse5 angesaugt und in die Luftkammer4a des Wirbelschichtofens2 eingeblasen wird. Auf dem weiteren Weg gelangen die Rauchgase zum Dampferzeuger14 , wo sie unter Erzeugung von Dampf, der über die Leitung15 austritt, abgekühlt werden, so dass sie als verhältnismäßig kühle Rauchgase über die Leitung16 in die Außenatmosphäre abgegeben werden können. - Die aus dem Verbrennungsprozess stammende, von den Wärmetauschern
17 ,18 dem Wirbelschichtofen2 entzogene Wärme wird über die Zirkulationsleitung20 in den Wärmetauscher21 innerhalb des Dampferzeugers14 gebracht. Dort trägt sie ihrerseits zur Dampferzeugung bei. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Internetlexikon WIKIPEDIA, Stand Oktober 2008 [0002]
Claims (9)
- Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Herstellung von Bioethanol, bei dem organische Abfallprodukte des Herstellungsprozesses, insbesondere DGS und DDGS, verbrannt und die so gewonnene Nutzwärme der Anlage selbst wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Abfallprodukte in einem Wirbelschichtofen (
2 ) verbrannt werden und allen Räumen (9 ,11 ), in denen der Verbrennungsprozess stattfindet, so viel Wärme entzogen wird, dass an keiner Stelle die Schmelztemperatur der Asche der Abfallprodukte, insbesondere 700°C, überschritten wird; b) die Nutzwärme zum Teil aus den bei der Verbrennung entstehenden Rauchgasen und zum Teil aus der dem Verbrennungsprozess zur Einhaltung der Maximaltemperatur entzogenen Wärme gewonnen wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzwärme zumindest teilweise zur Erzeugung von Dampf verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entziehen der Wärme aus dem Verbrennungsprozess mindestens ein Wärmetauscher (
17 ,18 ) verwendet wird, der von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium Wasser ist.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium ein Thermoöl ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft, welche zur Erzeugung der Wirbelschicht (
9 ) verwendet wird, durch die aus dem Wirbelschichtofen (2 ) austretenden Rauchgase vorerwärmt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennnzeichnet, dass Abfallprodukte, die sich beim Einbringen oberhalb der Wirbelschicht (
9 ) entzünden würden, direkt in die Wirbelschicht (9 ) eingebracht werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Abfallprodukte, die sich beim Einbringen oberhalb der Wirbelschicht (
9 ) nicht entzünden würden und die so beschaffen sind, dass sie im Gasstrom oberhalb der Wirbelschicht (9 ) aufsteigen würden, direkt in die Wirbelschicht (9 ) eingebracht werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Abfallprodukte, die sich beim Einbringen oberhalb der Wirbelschicht (
9 ) nicht entzünden und die so beschaffen sind, dass sie im Gasstrom oberhalb der Wirbelschicht (9 ) absinken, oberhalb der Wirbelschicht (9 ) eingebracht werden.
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