DE102011005065A1

DE102011005065A1 - Thermische Behandlung von Biomasse

Info

Publication number: DE102011005065A1
Application number: DE102011005065A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schingnitz; Guido Schuld; Christian Görsch; Ann Lobin; Andreas Wünsche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-09-06

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Biomasse, wobei in einer ersten Stufe eine Trocknung auf einen Restwassergehalt von ca. 10 Ma% erfolgt, wobei die Trocknungsenergie durch die Kondensation eigener Trocknungsschwaden bereit gestellt wird. In einer zweiten Stufe wird die getrocknete Biomasse bevorzugt auf Temperaturen zwischen 280 und 320°C erwärmt. Danach steht das heizwertreiche Gut als Brennstoff für energetische. Zwecke oder für die Erzeugung von Synthesegas und zahlreicher chemischer Produkte zur Verfügung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Biomasse durch eine Kombination einer Stufe zur Trocknung mit einer Stufe zur Versprödung für die Erzeugung eines heizwertreichen Brennstoffes, der als Handelsgut transportiert und gelagert werden kann und als Energieträger sowohl für die umweltneutrale Erzeugung von Wärme und Elektroenergie als auch für Vergasungsanlagen zur Erzeugung von Synthesegasen genutzt werden kann. Unter Biomasse werden dabei Hölzer verschiedensten Ursprungs, Energiepflanzen sowie organische Reststoffe aus der Landwirtschaft, der Gärindustrie sowie der Papier- und Zellstoffindustrie verstanden. Ein Nachteil aller rohen Biomassen besteht in ihrem hohen Wassergehalt, bei Rohhölzern zwischen 40 und 60 Ma%, der einen geringen Heizwert zwischen 5 bis 10 MJ/kg nach sich zieht. Dies führt zu hohen Transportkosten und zu verringerten Wirkungsgraden bei der stofflichen und energetischen Nutzung. Es ist daher üblich, den Heizwert solcher Biomassen durch Trocknung und weitergehende thermische Behandlung zu erhöhen. Technologien zur Behandlung von Biomassen sind umfangreich beschrieben worden. Genannt sei hier P. Basu „Biomass Gasification and Pyrolysis", ELSEVIER, Oxford UK, 2010. Die Trocknung der Biomasse mit einer Feuchte von 40 bis 60 Ma% auf < 10 Ma% wird häufig mit Dampf durchgeführt, wobei man 1,2 bis 1,5 kg Dampf je Kilogramm auszutreibenden Wassers benötigt. Dabei werden ca. 20% der in der Biomasse enthaltenen Energie für die Trocknung verbraucht. Zur weiteren Veredelung der Biomasse wird sie auf Temperaturen zwischen 250 und 600°C erwärmt. Dabei entweicht die restliche Feuchtigkeit. Die Erwärmung auf Temperaturen zwischen 280 und 320°C ist insofern von besonderer Bedeutung, als bei diesen Temperaturen durch Strukturwandlungen in der organischen Matrix Kohlendioxid und in geringem Maße Kohlenmonoxid entweichen, was zu einer weiteren Erhöhung des Heizwertes und zu einer Versprödung der Biomasse führt, was für die weitere Verwendung von besonderem Vorteil sein kann. So wird der energetische Aufwand für die Zerkleinerung stark reduziert, wenn beispielsweise Biobrennstaub für Verbrennung oder Vergasung erzeugt werden soll.
Ein besonderer Nachteil für die wirtschaftliche Nutzung der Biomasse stellt ihr höher Wassergehalt und der hohe Energieaufwand für die Trocknung dar, während die weitere thermische Behandlung bis 320°C energetisch neutral verläuft und nur die fühlbare Wärme aufgebracht werden muss.
Erfindungsgemäß werden diese energetischen Probleme durch eine gestufte thermische Behandlung dadurch gelöst, dass man die Trocknung der Biomasse hauptsächlich durch die Nutzung der Kondensationswärme der eigenen Trocknungsschwaden erzielt. Dabei werden die bei der Trocknung aus der Biomasse abziehenden Dampfschwaden verdichtet und im Kreislauf dem Trocknungsapparat wieder zugeführt. Dort gibt er seine Kondensationswärme an die zu trocknende Biomasse ab und wird als Wasser abgezogen. Die bei der Trocknung entstehenden Schwaden werden, wie erwähnt, verdichtet und im Kreislauf dem Trocknungsapparat wieder zugeführt. Die Wärmeübertragung geschieht indirekt, um die bei der Trocknung gebildeten Schwaden (15) getrennt von den für die Heizung verdichteten Schwaden (17) abführen zu können. Als Trocknungsapparate kommen innenbeheizte Drehrohre, Wirbelschichtapparate, Schachtreaktoren u. a. mit indirekter Wärmeübertragung zur möglichen Anwendung. Die getrocknete Biomasse wird mit Temperaturen zwischen 60 und 100°C abgezogen und nach Möglichkeit ohne Wärmeverlust der zweiten Stufe zugeführt und dabei Temperaturen zwischen 250 und 600°C, bevorzugt zwischen 280 und 320°C, ausgesetzt. Diese so behandelte Biomasse stellt einen umweltfreundlichen Brennstoff für Haushalt und Gewerbe dar, bei weiterer Aufmahlung zu Brennstoffstaub kann man Energieträger für Kraftwerke oder Einsatzstoffe für die Vergasung, beispielsweise für die Erzeugung von Synthesegas gewinnen.
Die Erfindung wird nachfolgend als Ausführungsbeispiel unter Zuhilfenahme von 1 erläutert.
Eine vorhandene Syntheseanlage zur Erzeugung von Methanol soll vom bisherigen Brennstoff Steinkohle in umweltfreundlicher Ausführung auf den Bioenergieträger Holz umgestellt werden. Es steht eine Holzmenge als rohe Biomasse (2) in Höhe von 132 t/h mit einem Wassergehalt von 51 Ma% zur Verfügung. Das vorzerkleinerte Holz (2) wird zuerst einem Trocknungsapparat (13) zugeführt, um den Wassergehalt auf 10 Ma% zu verringern. Dazu müssen in dem Trocknungsapparat (13), in diesem Beispiel einem Drehrohrtrockner, 58,2 t/h Wasser abgetrieben werden, die als ca. 90 bis 110°C heiße Schwaden (15) den Trocknungsapparat (13) verlassen. Der Trocknungsapparat ist indirekt beheizt, d. h. der Heizdampf (17) strömt durch die Rohre, das feuchte Holz befindet sich zwischen den Rohren. Der Trocknungsapparat (13) kann aber u. a. auch eine Schacht- oder Wirbelschichttrocknung sein, wenn sie gleichfalls indirekt beheizt ist. Das getrocknete Holz (6) wird ausgetragen und dem Apparat (14) zur weiteren thermischen Behandlung zugeführt.
Der Heizdampf (17) gibt also in dem Trocknungsapparat (13) seine Wärme an das zu trocknende Holz (2) ab und kondensiert dabei. Das Heizdampf-Kondensat (4), das ca. 90–100°C warm ist, wird aus dem Prozess abgeführt und kann zur Vorwärmung des rohen Holzes eingesetzt werden (hier nicht eingezeichnet). Die Trocknungsschwaden (15) werden aus dem Trocknungsapparat (13) abgezogen, im Abscheider (11) von mitgeführtem Staub befreit und im Verdichter (12) von ca. 0,1 MPa auf 0,2 MPa (1 auf 2 bar) komprimiert. Der abgeschiedene Staub (7) wird dem getrockneten Holz (6) zugeführt. Durch die Komprimierung steigt die Schwadentemperatur von ca. 100°C auf ca. 178°C. Diese verdichteten Schwaden werden nunmehr als Heizdampf (17) dem Trocknungsapparat (13) wieder zugeführt, geben ihre Kondensationswärme an das zu trocknende Holz (2) ab und werden als Heizdampfkondensat (4) abgeführt. Zum Ausgleich der Wärmebilanz kann Fremddampf (16) dem Heizdampf (17) zugeführt werden. In einer konventionellen Trocknungsanlage mit alleiniger Fremddampfzuführung (16) müsste die zu verdampfende Wassermenge von 58,2 t/h durch eine äquivalente Dampfmenge ausgetrieben werden, Wärmeverluste nicht eingerechnet. Die für den Antrieb des Verdichters benötigte elektrische Leistung beträgt 2,38 MW, wobei ein Verdichtungswirkungsgrad von 85% berücksichtigt wurde. Das getrocknete Holz (6) gelangt mit einer Temperatur zwischen 60 und 110°C in einen Apparat zur weiteren thermischen Behandlung (14), in dem das getrocknete Holz auf Temperaturen zwischen 250 und 600°C, bevorzugt auf 280 bis 320°C aufgeheizt und damit einer Versprödung unterzogen wird. In diesem Apparat (14) kann die Aufheizung des getrockneten Holzes direkt oder indirekt erfolgen, wobei auf Grund des höheren Wärmeüberganges kleinere Abmessungen erreicht werden können. Diese Apparate können gleichfalls Drehrohre, Wirbelschicht- oder Schachtanlagen sein. Das getrocknete Holz verliert im Apparat (14) seine restliche Feuchtigkeit und entbindet eine Gasmenge von ca. 20 Nm³/t mit folgender Analyse:

CO₂ 64,9 Vol%

CO 34,4 Vol%

H₂ 0,1 Vol%

CH₄ 0,5 Vol%
Die Beheizung des Apparates (14) geschieht mit Kreislaufgas (8), das in der Brennkammer (10) erzeugt wird. Der Brennkammer (10) wird dazu Heizgas (1) zugeführt. Dies kann ein von außen zugeführtes Brenngas, aber auch heizwertreiches Restgas aus nachfolgenden Prozessen sein. Das im Apparat (14) entbundene Gas (18) wird bei direkter Beheizung gemeinsam mit dem Heizgas (8) über einen Abscheider (9) zur Abtrennung mitgerissenen Staubes (5) geführt und anschließend in der Brennkammer (10) gemeinsam mit dem Heizgas (1) verbrannt, wodurch das Kreislaufgas (8) aufgeheizt wird und dem Apparat (14) wieder zugeführt werden kann. Das thermisch behandelte Holz (3) verlässt den Apparat (14) zur weiteren Verwertung. Es kann gekühlt werden (hier nicht dargestellt), und ergibt einen Energieträger mit dem hohen Heizwert von ca. 28 MJ/kg. Es kann als Handelsgut transportiert und gelagert werden und steht als Energieträger für energetische Anwendungen im Haushalt, Gewerbe und Industrie aber auch als umweltfreundlicher CO₂-armer Brennstoff für die Synthesegaserzeugung in Vergasungsanlagen zur Verfügung.
Der mitgerissene Staub (5) aus dem Abscheider (9) kann dem thermisch behandelten Holz (3) zugesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Heizgas
2: Rohe Biomasse
3: Thermisch behandelte Biomasse
4: Heizdampfkondensat
5: Staub aus Abscheider 9
6: Getrocknete Biomasse
7: Staub aus Abscheider 11
8: Kreislaufgas
9: Abscheider im Kreislaufgas 8
10: Brennkammer
11: Abscheider im Schwadenkreislauf
12: Verdichter
13: Trocknungsapparat
14: Apparat zur thermischen Behandlung
15: Trocknungsschwaden
16: Fremddampfzuführung
17: Heizdampf, Wasserdampf
18: bei der thermischen Behandlung entbundene Gase

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

P. Basu „Biomass Gasification and Pyrolysis”, ELSEVIER, Oxford UK, 2010 [0001]

Claims

Verfahren zur thermischen Behandlung von Biomasse durch eine Kombination von Trocknung und Versprödung, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – indirekte Trocknung der Biomasse mit Heizdampf (17) in einem Trocknungsapparat (13) mit innenliegenden Heizelementen bei Temperaturen bis 145°C, bevorzugt bis 120°C, – Gewinnung des Heizdampfes (17) durch Verdichtung (12) der aus der Biomasse entweichenden Trocknungsdampfschwaden (15) auf Drücke bis 0,4 MPa (4 bar), bevorzugt bis auf 0,1 MPa (1 bar), – Zuführung des Heizdampfes (17) in die Heizrohre des Trocknungsapparates (13) und Kondensation durch Wärmeübertragung auf die Biomasse, – Abführung des Heizdampfkondensates (4) aus dem Trocknungsapparat, – Abzug der aus der Biomasse entweichenden Trocknungsdampfschwaden (15) und Zuführung zum Verdichter (12), – Zuführung der 80–120°C heißen getrockneten Biomasse in einen weiteren direkt oder indirekt wirkenden Apparat zur thermischen Behandlung (14) und Aufheizung auf Temperaturen zwischen 250 und 600°C, bevorzugt zwischen 280 und 320°C mit einem Kreislaufgas (8) als Heizgas, – Nutzung der bei der thermischen Behandlung entbundenen Gase (18) zur Aufheizung des Kreislaufgases (8).
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die getrocknete Biomasse (6) zur Herstellung von Brennstoff-Pellets genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch behandelte Biomasse (3) ein Handelsgut ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch behandelte Biomasse zu einem Brennstaub aufgemahlen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die getrocknete (6), thermisch behandelte (3) und/oder aufgemahlene Biomasse einer Feuerung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die getrocknete (6), thermisch behandelte (3) und/oder aufgemahlene Biomasse einer Vergasung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsapparat (13) für die Trocknung der Biomasse ein Drehrohr mit innenliegenden Heizrohren ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsapparat (13) für die Trocknung der Biomasse eine indirekt beheizte Wirbelschichtanlage ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsapparat (13) für die Trocknung der Biomasse ein Schachtreaktor mit innenliegenden Heizrohren ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung der Biomasse (3) in einem Festbettreaktor durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung der Biomasse (3) in einem Wirbelschichtreaktor durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung der zu Brennstaub aufgemahlenen Biomasse in einem Flugstromvergasungsreaktor durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 10, 11 und 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärmen aus dem Vergasungsprozess zusätzlich für die thermische Behandlung der Biomasse eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung der Biomasse im Apparat (14) bei Temperaturen zwischen 250 und 600°C, bevorzugt zwischen 280 und 320°C in einem direkt oder indirekt beheiztem Drehrohr durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung der Biomasse im Apparat (14) in einem direkt oder indirekt beheiztem Schachtofen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung der Biomasse im Apparat (14) in einer direkt oder indirekt beheizten Wirbelschichtanlage durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung des Heizgases (8) für den Apparat (14) neben den entbundenen Gasen aus der thermischen Behandlung der Biomasse auch Restgase aus nachgeschalteten Gasaufbereitungs- und Syntheseanlagen benutzt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Prozess abgeführte Heizdampf-Kondensat (4) zur Vorwärmung der rohen Biomasse (2) eingesetzt wird.
Anordnung zur thermischen Behandlung von Biomasse durch eine Kombination von Trocknung und Versprödung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 18, bei dem: – ein Trocknungsapparat (13) mit innenliegenden Heizdampf (17) – durchströmten Heizelementen zur indirekten Trocknung von Biomasse bei Temperaturen bis 145°C, bevorzugt bis 120°C, auf einen Wassergehalt von 10 Ma%, ein Abscheider (11) zum Abscheiden von Feststoffen aus Schwaden (15), die aus dem Trocknungsapparat zugeführt sind, und ein Verdichter (12) zur Verdichtung der Schwaden zu Heizdampf (17) mit einem Druck bis 0,4 MPa (4 bar), bevorzugt auf 0,1 MPa (1 bar), einen Heizdampfkreislauf bilden, – der Trocknungsapparat eine Abführung von Heizdampfkondensat (4), das durch Wärmeübertragung auf die Biomasse anfällt, aufweist, – die 80–120°C heiße getrocknete Biomasse aus dem Trocknungsapparat (13) einem Apparat zur thermischen Behandlung (14) und Aufheizung auf Temperaturen zwischen 250 und 600°C, bevorzugt zwischen 280 und 320°C, zuführbar ist, – ein Gaskreislauf gegeben ist, bei dem die in dem Apparat zur thermischen Behandlung (14) aus der Biomasse entbundenen Gase (18) einer Brennkammer (10) und das Kreislaufgas (8) aus der Brennkammer dem Apparat zur thermischen Behandlung (14) zuführbar sind.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsapparat (13) ein Drehrohr mit innenliegenden Heizrohren aufweist.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsapparat (13) eine indirekt beheizte Wirbelschichtanlage aufweist.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsapparat (13) einen Schachtreaktor mit innenliegenden Heizrohren aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat zur thermischen Behandlung (14) ein beheiztes Drehrohr aufweist.
Anordnung nach einem der Anspruch 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat zur thermischen Behandlung (14) einen beheizten Schachtofen aufweist.
Anordnung nach einem der Anspruch 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat zur thermischen Behandlung (14) eine beheizte Wirbelschichtanlage aufweist.
Anordnung nach einem der Anspruch 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat zur thermischen Behandlung (14) durch eine direkt beheizte Ausführung gegeben ist.
Anordnung nach einem der Anspruch 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat zur thermischen Behandlung (14) durch eine indirekt beheizte Ausführung gegeben ist.