DE102008058501B4

DE102008058501B4 - Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Herstellung von Bioethanol

Info

Publication number: DE102008058501B4
Application number: DE102008058501A
Authority: DE
Inventors: Dr. Link Kersten; Dr. Neumann Uwe
Original assignee: Eisenmann SE
Current assignee: Eisenmann SE
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2028-11-22
Also published as: BRPI0921003A2; CN102216686A; WO2010057554A3; DE102008058501A1; EP2347182A2; US20110219993A1; RU2011124511A; WO2010057554A2; RU2508503C2

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Herstellung von Bioethanol, bei dem organische Abfallprodukte des Herstellungsprozesses 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 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.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Herstellung von Bioethanol, bei dem organische Abfallprodukte des Herstellungsprozesses 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 DDG und DDGS (Dried Distillers Grain bzw. Dried Distillers Grain with Solubles, Trockenschlempe) 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 DDG 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.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der WO 2009/024100 A2 bekannt geworden. Dort wird auch das Problem angesprochen, dass die Biomasse bei deren Verbrennung, z. B. in einem Wirbelschichtofen, eine so niedrige Schmelztemperatur der Asche haben kann, dass bei der Verbrennung agglomerierte geschmolzene Asche entsteht, was den Verbrennungsofen innerhalb kürzester Zeit unbrauchbar macht. Als Abhilfe wird dort vorgeschlagen, die Biomasse z. B. mit gemahlenem Kalkstein zu versetzen, so dass ab einem gewissen Mischungsverhältnis der Schmelzpunkt der Asche genügend hoch ist, so dass während des Verbrennungsvorgangs keine Schmelze entsteht.
Weitere Verfahren zur Verbrennung von organischen Abfallstoffen in Wirbelschichtöfen sind aus der US 2005/0 274 308 A1 , der DE 100 21 448 A1 und der DE 1 551 450 A1 bekannt geworden.
Ein aus der JP 07184628 A bekannt gewordenes Verfahren zur Herstellung von Bioethanol verwendet ein Destillationsverfahren, wobei die zur Destillation benötigte Wärme aus der Verbrennung der Destillationsabfälle bezogen wird. Auf den Verbrennungsprozess geht diese Druckschrift nicht ein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass insgesamt ein rationellerer Betrieb der Anlage 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 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 überschritten 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 Verbrennungs-Prozess 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 jeweils eine bestmögliche Vermischung und Verbrennung der Abfallprodukte ein.
Bei den in Frage kommenden organischen Abfallprodukten kann es sich insbesondere um DDG (Dried Distillers Grain) oder um DDGS (Dried Distillers Grain with Solubles, Trockenschlempe) handeln.
Vorzugsweise wird bei der Verbrennung an keiner Stelle die Temperatur von 700°C überschritten, so dass die Asche des Abfallprodukts nicht schmilzt, sondern als feinkörnige feste Asche anfällt.
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 Wirbelschichtofen 2, der in seinem grundsätzlichen Aufbau bekannt ist. Sein Gehäuse 3 ist aus drei koaxialen Abschnitten 3a, 3b, 3c zusammengesetzt, die alle rotationssymmetrisch sind. Der unterste Abschnitt 3a ist zylindrisch; an diesen schließt sich oben ein sich konisch erweiternder Abschnitt 3b an, über dem schließlich ein erneut zylindrischer Abschnitt 3c angebracht ist. Das Gehäuse 3 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 Gehäuses 3 ist durch einen horizontalen Düsenboden 4 in zwei Kammern unterteilt. Die untere Kammer 4a dient als Luftkammer. Ein Gebläse 5 saugt aus weiter unten erläuterten Gründen wahlweise direkt über eine Leitung 25 oder über einen Wärmetauscher 13 Luft aus der Außenatmosphäre an und führt diese in die Luftkammer 4a ein. Einem mit der Luftkammer 4a verbundenen Brenner 6 wird Erdgas als Verbrennungsgas über eine schematisch angedeutete Leitung 7 und Verbrennungsluft 8 zugeführt.
In der oberen Kammer 4b und bis in den Abschnitt 3b des Gehäuses 3 hineinragend ist ein Wirbelschichtbett 9 vorgesehen, das aus einem körnigen, inerten und temperaturbeständigen Material, insbesondere Sand, besteht. Oberhalb des oberen Niveaus des Wirbelschichtbettes 9 lässt sich über eine schematisch dargestellte Leitung 10 in das Innere des Gehäuses 3 das zu verbrennende Abfallprodukt aus der Bioethanolherstellung einbringen, bei dem es sich um DDG 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 Innenraum 11 des Gehäuses 3 dient als Beruhigungsraum. Aus ihm können über eine Leitung 12 die heißen Rauchgase abgeführt und über den Wärmetauscher 13 einem Dampferzeuger 14 zugeleitet werden. Der Dampferzeuger 14 kann eine beliebige bekannte Bauweise besitzen, die im Einzelnen nicht beschrieben zu werden braucht. In den Dampferzeuger 14 tritt über eine Leitung 26 Wasser ein; das im vorliegenden Fall gewünschte Endprodukt des Prozesses, nämlich heißer Dampf, tritt über eine Leitung 16 und über eine Leitung 16 das abgekühlte Rauchgas aus, das dann einem Kamin zugeführt werden kann.
Sowohl in dem Wirbelschichtbett 9 als auch in dem oberhalb des Wirbelschichtbettes 9 liegenden freien Innenraum 11 des Gehäuses 3 sind Wärmetauscher 17, 18 angebracht. Die Wärmetauscher 17, 18 können jede beliebige Form besitzen, sofern sie nur Folgendes leisten: Sie müssen in der Lage sein, den gesamten Verbrennungsraum des Gehäuses 3, d. h., sowohl den vom Wirbelschichtbett 9 eingenommenen Raum als auch den darüberliegenden Freiraum 11, 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 Ofens 3 unterschritten werden. Bei der hier in Betracht gezogenen Verbrennung von DDG bzw. DDGS bedeutet dies, dass eine Temperatur von etwa 650° bis 700°C an keiner Stelle überschritten werden darf. In welcher Weise die Wärmetauscher 17, 18 hierzu ausgebildet sein müssen, lässt sich durch einfache Versuche für die jeweilige Geometrie des Wirbelschichtofens 2 und die jeweils zu verbrennenden Abfallprodukte ermitteln.
Die Wärmetauscher 17, 18 liegen in einem Wärmeträgerkreislauf, in dem ein Thermoöl mittels einer Pumpe 19 in Umlauf gehalten wird. Eine Zirkulationsleitung 20 führt hierzu ausgehend von der Druckseite der Pumpe 19 zunächst über den Wärmetauscher 18 und sodann zum unteren Wärmetauscher 17. Von dort wird das Thermoöl weiter über die Leitung 20 zu einem Wärmetauscher 21 gebracht, der selbst innerhalb des Dampferzeugers 14 untergebracht ist, dort dem Thermoöl Wärme entzieht und diese zur Unterstützung der Dampferzeugung abgibt. Sodann kehrt das abgekühlte Thermoöl zur Pumpe 19 zurück.
Die oben beschriebene Anlage 1 wird wie folgt betrieben:
Beim Anfahren der Anlage 1 wird zunächst der Luftkammer 4a mit Hilfe des Gebläses 5 Luft zugeführt, die über die Leitung 22 und entweder über die Leitung 25 oder über den Wärmetauscher 13 aus der Umgebungsluft angesaugt wird. Da zu diesem Zeitpunkt der Wärmetauscher 13 noch kalt ist, besitzt die angesaugte Luft zunächst in beiden Fällen Umgebungstemperatur.
Die in die Luftkammer 4 eingeblasene Luft strömt durch die Düsenplatte 4 hindurch und fluidisiert das darüberliegende Bett aus Sand, so dass die eigentliche Wirbelschicht 9 entsteht.
Mit Hilfe des Brenners 6, dem über die Leitungen 7 und 8 Erdgas bzw. Verbrennungsluft zugeführt wird, wird die in den Verbrennungsraum des Ofens 3 über die Düsenplatte 4 eingeblasene Luft und damit auch die Wirbelschicht 9 auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher das nunmehr über die Leitung 10 eingebrachte Abfallprodukt aus der Bioethanolherstellung zu brennen beginnt. Ist dieses Abfallprodukt ausreichend energiereich, kann nach dieser Startphase der Betrieb des Brenners 6 reduziert oder ganz eingestellt werden.
Mit Hilfe der Wärmetauscher 17, 18, durch welche die Pumpe 19 Thermoöl pumpt, wird innerhalb des Wirbelschichtbettes 9 und des darüberliegenden Freiraumes 11 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 Wirbelschichtbettes 9 wächst während des Betriebes daher an. Durch Messen des Druckabfalles an dem Wirbelschichtbett 9 mit Hilfe geeigneter Sensoren wird festgestellt, wann das Wirbelschichtbett 9 eine bestimmte Höhe erreicht hat, die nicht überschritten werden soll. Dann wird durch einen geeigneten, nicht dargestellten Austragmechanismus über die Leitung 27 aus dem Wirbelschichtbett 9 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 Wirbelschichtbett 9 zurückgebracht werden kann.
Die den Wirbelschichtofen 2 über die Leitung 12 verlassenden Rauchgase können in verhältnismäßig geringem Ausmaße noch Aschepartikel mit sich führen. Diese können ggfs. durch einen in der Leitung 12 liegenden, in der Zeichnung jedoch nicht dargestellten Zyklon aus den heißen Rauchgasen entfernt werden. Letztere treten durch den Wärmetauscher 13 hindurch und wärmen nunmehr die Luft vor, die über die Leitung 22 von dem Gebläse 5 angesaugt und in die Luftkammer 4a des Wirbelschichtofens 2 eingeblasen wird. Auf dem weiteren Weg gelangen die Rauchgase zum Dampferzeuger 14, wo sie unter Erzeugung von Dampf, der über die Leitung 15 austritt, abgekühlt werden, so dass sie als verhältnismäßig kühle Rauchgase über die Leitung 16 in die Außenatmosphäre abgegeben werden können.
Die aus dem Verbrennungsprozess stammende, von den Wärmetauschern 17, 18 dem Wirbelschichtofen 2 entzogene Wärme wird über die Zirkulationsleitung 20 in den Wärmetauscher 21 innerhalb des Dampferzeugers 14 gebracht. Dort trägt sie ihrerseits zur Dampferzeugung bei.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Herstellung von Bioethanol, bei dem organische Abfallprodukte des Herstellungsprozesses 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 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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Abfallstoffe DDGS (Dried Distillers Grains with Solubles, Trockenschlempe) oder DDG (Dried Distillers Grain) sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an keiner Stelle die Temperatur von 700°C überschritten wird.