DE102009060733A1 - Apparatus for continuous conversion of biomass and energy generation system therefrom - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Reaktorbatterie (100; 200) zur kontinuierlichen Umwandlung von Biomasse, mit mehreren Zellen (102; 202), welche jeweils einen Zufuhrbereich (208) zum Trocknen, Entgasen und Umwandeln der Biomasse zu einem brennbaren Gas und einen Flammbereich (206) zum Umwandeln der Biomasse zu einem festen Umwandlungsprodukt umfassen, wobei die Umwandlung pyrolytisch im Zufuhrbereich jeder Zelle (102; 202) erfolgt.The invention relates to a reactor battery (100; 200) for the continuous conversion of biomass, with several cells (102; 202), each of which has a feed area (208) for drying, degassing and converting the biomass to a combustible gas and a flame area (206) for converting the biomass to a solid conversion product, the conversion taking place pyrolytically in the feed area of each cell (102; 202).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reaktorbatterie zur kontinuierlichen Umwandlung von Biomasse und ein System zur Energiegewinnung aus Biomasse.The present invention relates to a reactor battery for the continuous conversion of biomass and a system for generating energy from biomass.
Die
Die
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine energieeffiziente und einfache Vorrichtung zur kontinuierlichen Umwandlung von Biomasse und ein System zur Energiegewinnung aus Biomasse bereitzustellen.The object of the present invention is to provide an energy-efficient and simple device for the continuous conversion of biomass and a system for obtaining energy from biomass.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Varianten und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.According to the invention, this object is achieved by the subject matter of the independent claims. Variants and preferred embodiments of the invention will become apparent from the claims, the following description and the drawings.
Die Reaktorbatterie gemäß Anspruch 1 zur kontinuierlichen Umwandlung von Biomasse umfasst mehrere Zellen, welche jeweils einen Zufuhrbereich zum Trocknen, Entgasen und Umwandeln (eines Teils) der Biomasse zu einem brennbaren Gas und einen Flammbereich zum Umwandeln der Biomasse zu einem festen Umwandlungsprodukt aufweisen. Dabei erfolgt die Umwandlung im Zufuhrbereich jeder Zelle pyrolytisch.The reactor battery according to claim 1 for the continuous conversion of biomass comprises a plurality of cells each having a supply area for drying, degassing and converting (a part of) the biomass to a combustible gas and a flame area for converting the biomass into a solid conversion product. In this case, the conversion takes place pyrolytically in the feed region of each cell.
Der Zufuhrbereich einer Zelle nimmt dabei z. B. ein Wanderbett aus Biomasse, insbesondere Holz, auf und ist in einen oberen Abschnitt zum Trocknen, einen mittleren Abschnitt zum Entgasen sowie zum pyrolytischen Umwandeln der Biomasse unterteilt. Ein unterer Abschnitt der Zelle bildet einen Flammbereich zum Verkohlen der Biomasse zu einem festen Umwandlungsprodukt, insbesondere Holzkohle. Unter dem Flammbereich kann z. B. ein Gitterrost angeordnet sein, der das Wanderbett abstützt und der für das feste Umwandlungsprodukt nach unten durchlässig ist.The supply range of a cell takes z. As a moving bed of biomass, especially wood, and is divided into an upper section for drying, a middle section for degassing and for pyrolytic conversion of the biomass. A lower portion of the cell forms a flame zone for charring the biomass to a solid conversion product, especially charcoal. Under the flame area z. As a grid may be arranged, which supports the moving bed and which is permeable to the solid conversion product down.
Die kontinuierliche Umwandlung bietet gegenüber chargenweisen oder diskontinuierlichen Prozessen Zeitvorteile. Bei solchen Prozessen wird zunächst eine Portion Biomasse vollständig verarbeitet, bevor die nächste Position verarbeitet werden kann. Die Anlage muss dazu ggf. immer neu angefahren werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht jedoch einen durchgehenden Betrieb; also auch beim Zuführen von Biomasse und beim Austragen oder Abführen von Umwandlungsprodukten.Continuous conversion offers time advantages over batch or batch processes. In such processes, a portion of biomass is first fully processed before the next position can be processed. If necessary, the system must always be restarted. However, the device according to the invention enables a continuous operation; So also when supplying biomass and the discharge or removal of conversion products.
Im Zufuhrbereich wird dabei feuchte Biomasse vor der Verkohlung im Flammbereich durch aufsteigende heiße Gase weitgehend entfeuchtet bzw. getrocknet. Dies erhöht den Heizwert des festen Umwandlungsprodukts. Die Temperatur im Zufuhrbereich kann zwischen 500–900°C liegen. Solche Temperaturen ermöglichen bei weitgehend sauerstofffreien Bedingungen eine pyrolytische Zersetzung von Biomasse. Pyrolyse ist im Allgemeinen die Bezeichnung für die thermische Spaltung organischer Verbindungen, wobei durch hohe Temperaturen (500–900°C) Bindungen innerhalb großer Moleküle aufgebrochen werden. Meistens geschieht dieses unter Sauerstoffabschluss (anaerob), um eine Verbrennung zu verhindern. Man spricht auch von einer Verschwelung.In the feed area, moist biomass is largely dehumidified or dried by charring hot gases upstream of the charring in the flame area. This increases the calorific value of the solid conversion product. The temperature in the feed area can be between 500-900 ° C. Such temperatures allow for largely oxygen-free conditions pyrolytic decomposition of biomass. Pyrolysis is generally the term for the thermal decomposition of organic compounds, whereby high temperatures (500-900 ° C) break up bonds within large molecules. Mostly, this happens under exclusion of oxygen (anaerobic) to prevent combustion. One speaks also of a Verschwelung.
Je nach Fließgeschwindigkeit des Wanderbetts aus Biomasse findet die pyrolytische Umwandlung mehr oder weniger vollständig (Teilpyrolyse) statt. Bei längerer Verweildauer wird mehr brennbares Gas erzeugt. Bei kürzerer Verweildauer gelangt mehr nicht umgewandelte Biomasse in den Flammbereich.Depending on the flow velocity of the biomass moving bed, the pyrolytic transformation is more or less complete (partial pyrolysis) instead of. With longer residence time more flammable gas is generated. With shorter residence time, more unconverted biomass reaches the flame area.
Die Anordnung mehrerer Zellen, in denen jeweils die oben beschriebenen Prozesse ablaufen, in einer Reaktorbatterie ermöglicht eine verbesserte Prozesssteuerung, indem die Sauerstoff- bzw. Luftzufuhr jeweils auf einen relativ kleinen Bereich abgestimmt werden kann. So kann zuverlässig für jede Zelle die Pyrolyse bzw. die Teilpyrolyse und die Verkohlung gesteuert werden. Bei größeren ungeteilten Reaktoren kann es dagegen zu ungeregelten, lokalen Kamin- und Verbrennungseffekten kommen, die den angestrebten teilpyrolytischen Zersetzungseffekt behindern.The arrangement of a plurality of cells, each carrying out the processes described above, in a reactor battery enables improved process control, in that the oxygen or air supply can each be adjusted to a relatively small range. Thus, pyrolysis or partial pyrolysis and charring can be reliably controlled for each cell. For larger undivided reactors, however, there may be unregulated, local chimney and combustion effects that hinder the desired teilpyrolytischen decomposition effect.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst der Reaktor eine einstellbare Luftzufuhr je Zelle. Vorzugsweise erfolgt die Zufuhr von Luft von unterhalb des Gitters so, dass eine gewünschte Luftmenge in den Flammbereich jeder Zelle gelangt. Im Flammbereich wird die Biomasse bei unterstöchiometrischer Sauerstoffzufuhr oder bei relativem Sauerstoffmangel verkohlt, z. B. zu Holzkohle. Bei entsprechenden Temperaturen findet eine Teilverbrennung flüchtiger Bestandteile der Biomasse statt, während Kohlenstoff (z. B. Holzkohle) nach unten durch das Gitter fällt.According to a development, the reactor comprises an adjustable air supply per cell. Preferably, the supply of air from below the grid is such that a desired amount of air enters the flame area of each cell. In the flame area, the biomass is charred at substoichiometric oxygen supply or relative lack of oxygen, z. B. to charcoal. At appropriate temperatures, partial combustion of volatiles of the biomass takes place while carbon (eg, charcoal) falls down through the grid.
Die frei werdende Abwärme erhöht das Volumen der Verbrennungsgase, die so konvektiv in der Zelle nach oben getrieben werden und im Zufuhrbereich die Biomasse trocknen und entgasen. Der über die Luftzufuhr zugeführte Sauerstoff wird zur Zersetzung im Flammbereich nahezu vollständig verbraucht. Die nach oben getriebenen Verbrennungsgase sind also weitgehend sauerstofffrei oder sauerstoffarm und schaffen so Temperaturen und Bedingungen für eine pyrolytische bzw. teilpyrolytische Umwandlung der Biomasse im Zufuhrbereich.The released waste heat increases the volume of the combustion gases, which are driven so convectively in the cell upwards and dry and degas the biomass in the feed area. The oxygen supplied via the air supply is almost completely consumed for decomposition in the flame region. The combustion gases driven upwards are thus substantially oxygen-free or oxygen-poor and thus create temperatures and conditions for a pyrolytic or partially pyrolytic conversion of the biomass in the feed region.
Herkömmliche Karbonisierungsanlagen führen im Gegensatz dazu Luft oder Sauerstoff an mehreren Stellen in einen Brennraum so zu, dass zwar in einem großen Brennraum eine Verkohlung leicht steuerbar ist, aber aufgrund des Sauerstoffs keine gleichzeitige pyrolytische, d. h. im Wesentlichen sauerstofffreie, Umwandlung stattfindet.Conventional Karbonisierungsanlagen lead, in contrast, air or oxygen at several points in a combustion chamber so that in a large combustion chamber, a char is easily controllable, but due to the oxygen no simultaneous pyrolytic, d. H. essentially oxygen-free, conversion takes place.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Reaktorbatterie eine Steuereinrichtung zum Messen der Temperatur, insbesondere der Abgastemperatur, in einzelnen Zellen oder in den gesammelten Abgasen in der Reaktorbatterie, und zum Steuern der über die Luftzufuhr zugeführten Luftmenge.According to a development, the reactor battery comprises a control device for measuring the temperature, in particular the exhaust gas temperature, in individual cells or in the collected exhaust gases in the reactor battery, and for controlling the amount of air supplied via the air supply.
Wenn die Temperatur in einzelnen Zellen gemessen wird, kann diese als Stellgröße für die Steuereinrichtung dienen, um die Luftzufuhr in die einzelnen Zellen so zu steuern, dass ein gewünschter Temperaturverlauf bzw. ein Temperaturprofil über den Zuführbereich jeder Zelle eingehalten wird.If the temperature is measured in individual cells, this can serve as a manipulated variable for the control device in order to control the air supply to the individual cells in such a way that a desired temperature profile or a temperature profile over the supply region of each cell is maintained.
Eine Reaktorbatterie kann auch durch zellenweise gesteuerte Luftzufuhr teilweise angefahren oder abgestellt werden. Außerdem kann durch zellenweise gesteuerte Luftzufuhr ein gewünschter Temperaturgradient erzeugt werden. Beispielweise kann in den Außenzellen der Reaktorbatterie eine erhöhte Temperatur erforderlich sein, um Wärmeverluste an die Umgebung auszugleichen. Außerdem können so auch in einem Teil der Zellen der Reaktorbatterie Bedingungen für eine höhere Gasproduktion und in einem anderen Teil der Zellen Bedingungen für eine höhere Produktion an festen Umwandlungsprodukten eingestellt werden.A reactor battery can also be partially started or stopped by cell-controlled air supply. In addition, a desired temperature gradient can be generated by cell-controlled air supply. For example, an elevated temperature may be required in the outer cells of the reactor battery to compensate for heat losses to the environment. In addition, conditions for higher gas production in some of the cells of the reactor battery and conditions for higher production of solid conversion products in another part of the cells can also be set.
Es gibt Ausführungen, bei denen die Reaktorbatterie eine zentrale Abgasabführeinrichtung umfasst. Diese umfasst Sammelrohre, die ausgehend von oberen Bereichen der einzelnen Zellen zu einem Sammeltank und/oder Kamin führen. Die Temperatur kann beispielsweise zentral an den gesammelten Abgasen erfasst werden, um eine gemeinsame Stellgröße für die Steuereinrichtung zur Steuerung aller Luftzufuhren zu erhalten.There are embodiments in which the reactor battery comprises a central exhaust gas removal device. This includes manifolds that lead from upper portions of the individual cells to a collection tank and / or chimney. The temperature can be detected, for example, centrally to the collected exhaust gases to obtain a common control variable for the control device for controlling all air supplies.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Reaktorbatterie eine Zufuhreinrichtung zum kontinuierlichen Zuführen von Biomasse, insbesondere Holzhackschnitzel. Die Zufuhreinrichtung weist z. B. eine Zellenradschleuse auf, um Biomasse weitgehend unter Gasabschluss kontinuierlich in die einzelnen Zellen fördern zu können. Die Zufuhreinrichtung kann außerdem Verteilrohre umfassen, welche die Biomasse ausgehend von einem Biomasselager über die Zellenradschleuse hin zu den einzelnen Zellen fördern.According to a development, the reactor battery comprises a supply device for the continuous supply of biomass, in particular wood chips. The feeder has z. As a rotary valve on biomass largely under exclusion of gas continuously in the individual cells can promote. The supply device may also comprise distributor tubes which convey the biomass from a biomass store via the rotary feeder to the individual cells.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Reaktorbatterie eine Austrageinrichtung je Zelle, um das feste Umwandlungsprodukt auszutragen. Dabei gibt es Ausführungen mit Sammelrohren, die ausgehend von den Bereichen der Reaktorbatterie, die unterhalb der Gitter jeder Zelle liegen, in leichtem Gefälle zu einem gasdichten Behälter führen, in dem das feste Umwandlungsprodukt aufgenommen und abgekühlt wird.According to a development, the reactor battery comprises a discharge device per cell in order to discharge the solid conversion product. There are embodiments with headers, which lead starting from the areas of the reactor battery, which are below the grid of each cell, in a slight gradient to a gas-tight container in which the solid conversion product is taken up and cooled.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Reaktorbatterie an ihrer Außenseite thermisch isoliert. Weiter gibt es Ausführungen, bei denen die Zellen in ihrer Struktur oder Anordnung so gestaltet sind, dass im Reaktor eine teilpyrolytische Umwandlung von Biomasse in ein festes Umwandlungsprodukt und ein brennbares Gas erfolgt.According to a development, the reactor battery is thermally insulated on its outer side. There are also embodiments in which the cells are designed in their structure or arrangement so that the reactor is a teilpyrolytische conversion of biomass into a solid conversion product and a combustible gas.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Reaktorbatterie modular aus einzelnen Reaktorzellen mit rechteckigem Querschnitt gebildet. Solche Einzelreaktoren können besonders einfach durch Aneinanderstellen zu einer ebenfalls quaderförmigen Reaktorbatterie zusammengefügt werden. Auch eine Bienenwabenstruktur ist möglich. So ein modularer Aufbau erlaubt es, einzelne Zellen hinzuzufügen oder zu entfernen. In diesem Fall sind die Zellen der Reaktorbatterie nach außen hin einwandig und zueinander doppelwandig ausgelegt.According to a development, the reactor battery is modular with individual reactor cells formed rectangular section. Such individual reactors can be assembled particularly simply by juxtaposing into a likewise cuboid reactor battery. A honeycomb structure is also possible. Such a modular design allows to add or remove individual cells. In this case, the cells of the reactor battery are single-walled and double-walled.
Wenn eine Reaktorbatterie durch eine gemeinsame Reaktor-Außenwand und mehrere Zwischen- oder Trennwände hergestellt wird, so können die Zellen nach außen hin und zu einander einwandig ausgelegt sein. Diese Ausführungsvariante ist materialsparender.When a reactor battery is made by a common outer reactor wall and several intermediate or partition walls, the cells may be designed to be single-walled and single-walled. This variant is more material-saving.
Ein System zur Energiegewinnung aus Biomasse umfasst einen eine erfindungsgemäße Reaktorbatterie, ein Blockheizkraftwerk zum Verbrennen des brennbaren Gases und eine Presse zum Pelletieren oder Brikettieren des festen Umwandlungsprodukts, insbesondere Holzkohle.A biomass energy production system comprises a reactor battery according to the invention, a combined heat and power plant for burning the combustible gas and a press for pelleting or briquetting the solid conversion product, in particular charcoal.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst das System auch einen Brennofen zum Verbrennen des gepressten Umwandlungsprodukts. Der Brennofen, die Reaktorbatterie und/oder der Pelletier- oder Brikettiereinrichtung können auch voneinander getrennt angeordnet sein.According to a development, the system also includes a kiln for burning the pressed conversion product. The kiln, the reactor battery and / or the pelleting or briquetting device may also be arranged separately from each other.
Ein solches System erlaubt eine hohe Energieausbeute der Biomasse bei hoher räumlicher Flexibilität, da die bei der Umwandlung entstehenden Gase z. B. vor Ort in eifern Blockheizkraftwerk genutzt werden können, während das feste Umwandlungsprodukt durch Pelletieren oder Brikettieren leicht transportierbar und dosierbar wird und in entfernt liegenden Anlagen z. B. in Haushalten genutzt werden kann.Such a system allows a high energy yield of the biomass with high spatial flexibility, since the resulting in the conversion of gases z. B. can be used locally in eifern cogeneration plant, while the solid conversion product by pelleting or briquetting is easily transportable and metered and in remote facilities z. B. can be used in households.
Nachstehend werden weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:Hereinafter, further embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to schematic drawings. Showing:
Allen Zellen
Bei einer teilpyrolytischen Umwandlung entstehen in den Zellen neben nichtbrennbaren auch brennbare Gase mit hohem Heizwert, z. B. Methan, Kohlenmonoxid und Wasserstoff, sowie feste Umwandlungsprodukte, z. B. Holzkohle. Die Gase werden an der Oberseite jeder Zelle abgeführt, wie durch Pfeil
Die Reaktoraußenwand
In den in
Bei der Trocknung von Biomasse entstehender Wasserdampf ”verschiebt” die Pyrolyse geringfügig hin zu einer Vergasung, wobei mehr brennbares Gas entstehen kann. Ist jedoch zuviel Wasser in der Biomasse enthalten, kann die zur Trocknung der Biomasse erforderliche Wärme die Temperatur unter die für eine Pyrolyse notwendige Temperatur senken. Die Entfeuchtung oder Trocknung kann über die Steuerung der Luftzufuhr gesteuert werden, so dass der Prozess für unterschiedlich zusammengesetzte Biomassen (z. B. variabler Wassergehalt) einstellbar ist.In the drying of biomass resulting water vapor "shifts" the pyrolysis slightly towards a gasification, whereby more combustible gas can arise. However, if too much water is contained in the biomass, the heat required to dry the biomass can lower the temperature below the temperature necessary for pyrolysis. The dehumidification or drying can be controlled via the control of the air supply, so that the process for differently composed biomasses (eg variable water content) is adjustable.
Die zur Verkohlung erforderliche Luft (mit Sauerstoff) im Flammbereich tritt durch regel-, steuer- bzw. einstellbare Luftzuführungen, schematisch angedeutet durch die Pfeile
Im Allgemeinen stützt ein Gitter
Das nunmehr weitgehend sauerstofffreie Reaktionsgas, welches vorwiegend Stickstoff und CO2 enthält verlässt die Sauerstoffzone nach oben mit einer Temperatur von ungefähr 500 bis 600°C. Biomasse, die auf ihrem Weg von oben in diesen Bereich gelangt enthält praktisch kein Wasser mehr. Sie wird unter diesen Bedingungen erhitzt und Holzgas wird pyrolytisch ausgetrieben. Dieses steigt weiter nach oben und kann aus der Zelle
Weitere Aspekte und Variationen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus den angefügten Ansprüchen.Other aspects and variations of the invention will become apparent to those skilled in the art from the appended claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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