DE102012013132A1

DE102012013132A1 - Verfahren zur Torrefizierung von Biomasse

Info

Publication number: DE102012013132A1
Application number: DE201210013132
Authority: DE
Inventors: Rolf Hauk
Original assignee: RWE Innogy GmbH
Current assignee: Innogy SE
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Torrefizierung von Biomasse in einer Torrefizierungsanlage mit einem Torrefizierungsreaktor unter Verwendung des bei der Torrefizierung anfallenden Torrgases, wobei das Torrgas in einem mit dem Torrefizierungsreaktor gekoppelten Kraftwerk oder Heizwerk als Sekundärbrennstoff zugefeuert wird und wobei die zur Torrefizierung der Biomasse benötigte Energie aus dem Kraftwerk oder Heizwerk ausgekoppelt wird, wobei ein Teil der aus dem Kraftwerk oder Heizwerk ausgekoppelten thermischen Energie zur Trocknung von Biomasse zu einem zweiten Brennstoff verwendet wird, der eine von der torrefizierten Biomasse verschiedene volumen- oder massenspezifische Energiedichte aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Torrefizierung von Biomasse.
Unter der Torrefizierung bezeichnet man die thermische Behandlung von Biomasse unter Luftabschluss bei relativ niedrigen Temperaturen regelmäßig im Bereich von 250°C bis 300°C durch pyrolytische Zersetzung. Ziel ist es, ein kohleähnliches Endprodukt mit einer höheren spezifischen Energiedichte als Biomasse zu erhalten.
Bei der Pyrolyse der Biomasse fällt in der Regel ein heizwertarmes Gas an, das auch als Torrgas bezeichnet wird. Bei bekannten Torrefizierungsverfahren wird dieses Gas im Torrefizierungsprozess genutzt, beispielsweise entweder zur Vortrocknung der Biomasse oder zur Beheizung des Torrefizierungsreaktors.
Aus der WO 2005/056723 A1 ist beispielsweise ein Torrefizierungsverfahren bekannt, bei dem Biomasse einer kontinuierlichen Torrefizierung bei Temperaturen zwischen 200°C und 320°C ausgesetzt wird. Die Beheizung in dem Reaktor erfolgt durch ein Kreislaufgas, welches sich im direkten Wärmeaustausch mit den in der Torrefizierungskammer enthaltenen Rohmaterialien befindet. Das bei der Torrefizierung freigesetzte Gas wird verbrannt, die thermische Energie, die dabei freigesetzt wird, wird aus dem Rauchgas ausgekoppelt und dazu verwendet, das für die Torrefizierung verwendete Kreislaufgas aufzuheizen.
Die Energiebilanz eines solchen Verfahrens ist derart, dass die aus der Verbrennung des Torrgases erhaltene thermische Energie normalerweise nicht zur Trocknung der Biomasse ausreicht. Um hierzu die benötigte Energie bereitzustellen, wird ein Teil der Biomasse verbrannt.
Das bekannte Verfahren ist mit dem Nachteil behaftet, dass es bei verhältnismäßig hohen Investitionskosten eine geringe Energieeffizienz mit sich bringt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Torrefizierung von Biomasse bereitzustellen, welches insbesondere eine höhere Energieeffizienz bietet.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Torrefizierung von Biomasse in einer Torrefizierungsanlage mit einem Torrefizierungsreaktor unter Verwertung des bei der Torrefizierung anfallenden Torrgases, wobei das Torrgas in einem mit dem Torrefizierungsreaktor gekoppelten Kraftwerk oder Heizwerk als Sekundärbrennstoff zugefeuert wird und wobei die zur Torrefizierung der Biomasse benötigte Energie aus dem Kraftwerk oder Heizwerk ausgekoppelt wird, wobei ein Teil der aus dem Kraftwerk oder Heizwerk ausgekoppelten thermischen Energie zur Trocknung von Biomasse zu einem zweiten Brennstoff verwendet wird, der vorzugsweise eine von der torrefizierten Biomasse verschiedene volumen- oder massenspezifische Energiedichte aufweist.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind insbesondere darin zu sehen, dass sich durch die Kopplung des Torrefizierungsprozesses mit einem weiteren energieaufwendigen Prozess, beispielsweise zur Herstellung eines anderen Brennstoffs, Synergien nutzen lassen, so dass sich die Energieeffizienz des Verfahrens verbessert.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die getrocknete Biomasse ohne Torrefizierung teilweise zerkleinert und zu Pellets agglomeriert wird. Auf diese Art und Weise ist es beispielsweise möglich, ein Biomassenkraftwerk oder ein Biomassenheizwerk so zu betreiben, dass die beim Betrieb des Kraftwerks oder Heizwerks anfallende thermische Energie sowohl zur Trocknung zwecks Pelletierung, als auch zur Vortrocknung und Torrefizierung von Biomasse verwendet werden kann.
Zweckmäßigerweise wird die getrocknete Biomasse beispielsweise in Form von Holzchips zerkleinert und zu Pellets agglomeriert. Eine Agglomerierung, Verdichtung und/oder Pelletierung der torrefizierten Biomasse kann ebenso wie die Pelletierung der getrockneten Biomasse erfolgen.
Vorzugsweise wird der Torrefizierungsreaktor direkt oder indirekt mit Rauchgas aus dem Kraftwerk oder Heizwerk beheizt.
Unter einer direkten Beheizung im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein Wärmeübergang ohne einen zusätzlichen Wärmeträgerkreislauf oder eines zusätzlichen Wärmetauschers zu verstehen. Unter einer indirekten Beheizung ist eine Beheizung über einen Wärmeträgerkreislauf und insbesondere einen zusätzlichen Wärmetauscher zu verstehen.
Bei einer Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die zur Trocknung der Biomasse benötigte Energie indirekt in ein Kreislaufgas zur Trocknung der Biomasse eingekoppelt wird.
Die Trocknung der Biomasse kann beispielsweise mit vorgewärmter Luft durchgeführt werden, in welche Wärme aus dem Kraftwerk oder dem Heizwerk indirekt über einen Wärmetauscher oder über einen Rauchgaskondensator eingekoppelt wird.
Die Wärme aus dem Kraftwerk kann beispielsweise über eine Dampfanzapfung einer Dampfturbine oder über einen Wärmeträgerkreislauf, beispielsweise einem Thermoölkreislauf, in die Biomassentrocknung eingekoppelt werden.
Im einfachsten Fall kann als Heizwerk eine Rostfeuerung vorgesehen sein, in der Biomasse verfeuert wird. Das bei der Rostfeuerung anfallende Rauchgas kann beispielsweise mit Trocknerbrüden gemischt im Kreislauf durch den Trockner geführt werden, der beispielsweise als direkt beheizter Trommeltrockner ausgebildet sein kann.
Eine besonders vorteilhafte Kopplung der Erzeugung von weißen und schwarzen Pellets bzw. der Trocknung von Biomasse und der Torrefizierung von Biomasse ist dann gegeben, wenn ein Teilstrom der getrockneten Biomasse dem Torrefizierungsreaktor aufgegeben wird und ein Teilstrom der getrockneten Biomasse zerkleinert und pelletiert wird, also unmittelbar zu weißen Pellets weiterverarbeitet wird. Unter weißen Pellets im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Pellets zu verstehen, deren Substanz lediglich getrocknet wurde und die nicht einer Pyrolyse unterworfen war, wohingegen schwarze Pellets bereits einen höheren Kohlenstoffgehalt bezogen auf die Ausgangsmasse aufweisen. Dadurch sind der Torrefizierungsprozess und der Biomassenpelletierungsprozess über eine gemeinsame Trocknungsanlage gekoppelt, die unter thermischer Verwertung des bei der Torrefizierung anfallenden Torrgases betrieben wird.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Trocknung der Biomasse in einem direkt beheizten Trommeltrockner.
Der Trommeltrockner kann beispielsweise direkt mit Rauchgasen aus dem Kraftwerk oder Heizwerk beheizt werden.
Das Kraftwerk oder Heizwerk kann beispielsweise als Biomassenkraftwerk oder Biomassenheizwerk betrieben werden.
Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das bei der Torrefizierung anfallende Gas in dem Kraftwerk oder Heizwerk einer mit Holzstaub befeuerten Brennkammer zugeführt wird. Beispielsweise kann eine solche Zufeuerung über sogenannte Kombi-Brenner als Drallbrenner erfolgen, in denen Holzstaub als Primärbrennstoff und Torrgas als Sekundärbrennstoff verfeuert werden.
Ein Heizwerk im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfasst wenigstens eine Brennkammer, jedoch keinen Wasser-Dampf-Kreislauf, wohingegen ein Kraftwerk einen Dampfkessel sowie einen Wasser-Dampf-Kreislauf umfasst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigt:
1: eine erste Variante einer Anlage zur Torrefizierung von Biomasse und zur Herstellung von pelletierter getrockneter Biomasse gemäß der Erfindung und
2: eine zweite Anlagenvariante, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Insbesondere das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine stark vereinfachte Variante des Verfahrens zur Torrefizierung gemäß der Erfindung, die eine Rostfeuerung 1 zur Verbrennung von Biomasse, vorzugsweise zur Verbrennung von Holzrinde, einen Trommeltrockner 2 und einen Torrefizierungsreaktor 3 umfasst. Anstelle der Rostfeuerung 1 kann beispielsweise ein holzstaubgefeuerter Dampfkessel vorgesehen sein, über den zusätzlich eine Turbine und ein Generator zwecks Erzeugung und Einspeisung elektrischer Energie betrieben werden. Darüber hinaus kann anstelle einer Rostfeuerung ein holzstaubgefeuerter Heizgaserzeuger vorgesehen sein.
Bei dem anhand von 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die einfachere Variante eines Heizwerks in Form einer Rostfeuerung 1 beschrieben. Alternativ zu der Rostfeuerung kann eine Wirbelschichtfeuerung vorgesehen sein.
Alternativ zu dem verwendeten Trommeltrockner 2 kann ein mit vorgewärmter Luft betriebener Bandtrockner vorgesehen sein, alternativ kann ein Wirbelschichttrockner vorgesehen sein.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird der Trockner mit grüner, vorzerkleinerter Biomasse beschickt. Die aus dem Trommeltrockner 2 abgezogene Biomasse wird hinter einem Zyklon 4 in zwei Stoffströme aufgeteilt, wobei ein Teilstrom einer Hammermühle 9 und einer nachgeschalteten Pelletierungsanlage 10 zugeführt wird. Ein weiterer Teilstrom wird dem Torrefizierungsreaktor 3 zugeführt, um dort bei einer Temperatur von zwischen 250°C bis 300°C unter Sauerstoffmangel einer Pyrolyse unterzogen zu werden. Die getrocknete Biomasse verlässt den Zyklon 4 in Form von sogenannten Mikrochips, die entweder in der Hammermühle 9 pelletierfähig zerkleinert werden oder unzerkleinert dem Torrefizierungsreaktor 3 zugeführt werden.
Aus dem Torrefizierungsreaktor 3 wird die torrefizierte Masse abgezogen, einer Kühlung 5 unterzogen und in einer Pelletieranlage 6 zu Schwarzpellets verarbeitet.
Bei der Torrefizierung im Torrefizierungsreaktor 3 fällt ein Torrgas an, welches mit etwa 280°C teilweise der Rostfeuerung 1 zwecks Verbrennung zugeführt wird. Ein Teilstrom wird über einen Wärmetauscher 7 wieder dem Torrefizierungsreaktor 3 zugeführt. Innerhalb des Wärmetauschers 7 wird das Torrgas von etwa 280°C auf 350°C aufgeheizt, um dem Torrefizierungsreaktor 3 wieder zugeführt zu werden.
Der Wärmetauscher 7 wird über Rauchgas aus der Rostfeuerung 1 betrieben, wobei das Rauchgas die Rostfeuerung 1 etwa mit 850°C verlässt und einer Mischkammer 8 zugeführt wird. In der Mischkammer 8 wird Rauchgas mit rezirkuliertem Trocknerbrüden, der etwa eine Temperatur von 120°C aufweist, gemischt, und zwar auf eine Temperatur von etwa 400°C, die Mischung aus rezirkuliertem Brüden und Rauchgas wird dem Trommeltrockner 2 zugeführt.
Wie vorstehend bereits erwähnt, könnte anstelle der Rostfeuerung 1 ein Biomassenkraftwerk vorgesehen sein, welches über einen Dampfkessel, eine Turbine und einen Generator treibt, wobei die für die Trocknung der Biomasse benötigte thermische Energie entweder über Anzapfdampf der Turbine oder über einen Thermoölkreislauf aus dem Kraftwerk ausgekoppelt werden könnte und als indirekte Wärme dem Trockner zugeführt werden könnte. In diesem Fall könnte beispielsweise der Trockner als Wirbelschichttrockner ausgebildet sein.
Bei einer Trocknung mittels Bandtrockner oder Trommeltrockner 2 kann alternativ eine Luftvorwärmung für die Trocknung über einen Thermoölkreislauf oder über die Kondensation von Rauchgas in einem Rauchgaskondensator vorgesehen sein. Die Trocknung mittels Bandtrockner oder Trommeltrockner erfolgt mit warmer Luft, wobei die Luft direkt in Kontakt mit dem zu trocknenden Gut gebracht wird.
Eine einfachere Variante des Verfahrens ist in 2 veranschaulicht. Gleiche Bauteile sind dort mit gleichen Bezugszeichen versehen. Mit 1 ist eine Rostfeuerung bezeichnet, in der beispielsweise Holzrinde und Torrgas verbrannt werden. Das Rauchgas aus der Rostfeuerung 1 wird einer Mischkammer 8 zugeführt, in welcher der rezirkulierte Brüden aus dem Trommeltrockner 2 gemischt wird, auf ein Rauchgas/Brüdengemisch mit einer Temperatur von 350°C, welches unmittelbar dem Torrefizierungsreaktor 3 zugeführt wird. Ein Teil dieser Rauchgas/Brüdenmischung wird mit auch etwa 350°C dem Trommeltrockner zugeführt. Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Torrefizierungsreaktor 3 mit getrockneten Holzchips aus dem Trommeltrockner 2 beschickt, ein Teil der getrockneten Biomasse wird direkt einer Hammermühle 9 zugeführt und anschließend zu weißen Pellets pelletiert.
Alternativ kann der Torrefizierungsreaktor auch mit einem Teilstrom der bereits pelletierten, getrockneten Biomasse (in Form von weißen Pellets) beschickt werden.
Bezugszeichenliste

1: Rostfeuerung
2: Trommeltrockner
3: Torrefizierungsreaktor
4: Zyklon
5: Kühlung
6: Pelletieranlage für schwarze Pellets
7: Wärmetauscher
8: Mischkammer
9: Hammermühle
10: Pelletierungsanlage

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 Patentliteratur

WO 2005/056723 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Torrefizierung von Biomasse in einer Torrefizierungsanlage mit wenigstens einem Torrefizierungsreaktor unter Verwertung des bei der Torrefizierung anfallenden Torrgases, wobei das Torrgas in einem mit dem Torrefizierungsreaktor gekoppelten Kraftwerk oder Heizwerk als Sekundärbrennstoff zugefeuert wird und wobei die zur Torrefizierung der Biomasse benötigte Energie wenigstens teilweise aus dem Kraftwerk oder Heizwerk ausgekoppelt wird, wobei ein Teil der aus dem Kraftwerk oder Heizwerk ausgekoppelten thermischen Energie zur Trocknung von Biomasse zu einem zweiten Brennstoff verwendet wird, der eine von der torrefizierten Biomasse verschiedene volumen- oder massenspezifische Energiedichte aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die getrocknete Biomasse unmittelbar im Anschluss an die Trocknung zerkleinert und zu Pellets agglomeriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Torrefizierungsreaktor direkt oder indirekt mit Rauchgas aus dem Kraftwerk oder Heizwerk beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Trocknung der Biomasse benötigte Energie indirekt in ein Kreislaufgas zur Trocknung der Biomasse eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung der Biomasse mit vorgewärmter Luft durchgeführt wird, in welche Wärme aus dem Kraftwerk oder Heizwerk indirekt über einen Wärmetauscher oder einen Rauchgaskondensator eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aus dem Kraftwerk über eine Dampfanzapfung einer Dampfturbine oder über einen Wärmeträgerkreislauf in die Biomassentrocknung eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Trocknung der Biomasse ein Teilstrom der getrockneten Biomasse dem Torrefizierungsreaktor aufgegeben wird und ein Teilstrom der getrockneten Biomasse unmittelbar nach der Trocknung zerkleinert und pelletiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung der Biomasse in einem direkt beheizten Trommeltrockner durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Trommeltrockner direkt mit Rauchgas aus dem Kraftwerk oder Heizwerk beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk oder Heizwerk als Biomassenkraftwerk oder Biomassenheizwerk betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Torrefizierung anfallende Gas in dem Kraftwerk oder Heizwerk in einer mit Holzstaub befeuerten Brennkammer zugefeuert wird.