DE102017009381A1 - Extraction of electrical energy from biomass - Google Patents

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Abstract

Für die Verstromung von Biomasse werden zurzeit viele unterschiedliche technische Verfahren eingesetzt. Diese rangieren von der Verbrennung und Dampfkraft- und ORC-Anlagen über die Holzvergasung und Pyrolyse und Verbrennungsmotoren bis zur Fermentierung mit Biogaserzeugung und Verstromung. Alle diese Verfahren weisen z. T. gleiche, z. T. auch unterschiedliche Merkmale auf, die sich nachteilig auf die Anwendung auswirken. Bei den Dampfkraft- und ORC-Prozessen erschweren die hohen Investkosten und die niedrigen Wirkungsgrade die Anwendung. Bei Vergasungs- und Pyrolyse-Anlagen weisen die Brenngase meist schädliche Bestandteile auf, die eine aufwendige Konditionierung erfordern. Zusätzlich gibt es Einschränkungen für die verwendbare Biomasse. Für die Fermentierung können nur ausgewählte, z. T. hochwertige, aufwendig produzierte Biomassearten eingesetzt werden. Ein weiterer Nachteil bei der Nassfermentierung ist die Gewinnung der Biomasse auf landwirtschaftlich genutzten Flächen, auf denen dann keine Nahrungsmittel gewonnen werden können.Die hier vorgeschlagene Lösung basiert auf einer atmosphärisch betriebenen adiabaten Brennkammer, in der die Biomasse auf einem hohen Temperaturniveau mit hohem Luftüberschuss verbrannt wird. Das dabei gewonnene Heißgas wird in einem Heißgasturbinenprozess verstromt. Durch geeignete Wahl der Auslegungs- und Betriebsparameter für die Verbrennung und die Verstromungsanlage ergeben sich niedrige Invest- und Unterhaltskosten, hohe Wirkungsgrade und eine hohe Flexibilität hinsichtlich der einsetzbaren Biomassen, der Anlagengröße und der Betriebsweise, sodass fast alle bisherigen Nachteile der Biomasseverstromung vermieden werden.Der große Leistungsbereich, das breite Spektrum der verwendbaren Biomasse und die günstigen Investitions- und Unterhaltskosten ermöglichen einen breiten Einsatz dieser Technik. Der flexible Stromerzeugungsbetrieb stellt eine ideale Ergänzung zu dem volatilen Strom aus Wind und Sonne dar und führt zu einer nachhaltigen Verbesserung der Versorgung einer fluktuierenden Stromlast. Mit dem thermischen Prozess kann neben der reinen Stromerzeugung auch ein Betrieb mit Kraft-Wärme-Kopplung durchgeführt werden, verbunden mit einer erheblichen Steigerung der Effizienz bei der gesamten Biomassenutzung.Many different technical processes are currently used for the generation of electricity from biomass. These range from combustion and steam power and ORC plants to wood gasification and pyrolysis and combustion engines to fermentation with biogas production and electricity generation. All of these methods have z. T. same, z. T. also different features that adversely affect the application. In the steam power and ORC processes, the high investment costs and the low efficiencies complicate the application. In gasification and pyrolysis plants, the fuel gases usually harmful ingredients that require a complex conditioning. In addition, there are restrictions on the usable biomass. For fermentation only selected, z. T. high-quality, elaborately produced biomass species are used. Another disadvantage of wet fermentation is the extraction of biomass on agricultural land, where then no food can be won.The solution proposed here is based on an atmospherically operated adiabatic combustion chamber in which the biomass is burned at a high temperature level with high excess air , The hot gas thus obtained is converted into electricity in a hot gas turbine process. By a suitable choice of the design and operating parameters for the combustion and the power plant low investment and maintenance costs, high efficiencies and a high flexibility in terms of usable biomass, plant size and operation, so that almost all previous disadvantages of biomass power generation avoided large capacity range, the wide range of usable biomass and the favorable investment and maintenance costs allow a wide use of this technique. The flexible power generation operation is an ideal complement to the volatile wind and solar power and leads to a sustainable improvement in the supply of a fluctuating power load. In addition to pure power generation, the thermal process can also be combined with combined heat and power generation, which results in a significant increase in the efficiency of biomass utilization.

Description

Stand der Technik und AufgabenstellungState of the art and task

Zurzeit werden zahlreiche unterschiedliche Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Biomasse entwickelt und eingesetzt. Am weitesten verbreitet ist die Vergärung von Biomasse mittels Nass- und Trockenfermentierung und Verstromung des dabei erzeugten Brenngasas, als Biogas bezeichnet, in Verbrennungskraftmaschinen. Eine weitere, ebenfalls weit verbreitete Methode ist die Verbrennung von Biomasse, meistens getrocknetes Holz, in Feuerungsanlagen. Die dabei erzeugte Wärme wird in einem Dampfkraftprozess in elektrische Energie umgewandelt. Diese Methode findet in Holz- und Biomasse-Kraftwerken Anwendung. Weitere Verfahren sind die Biomasse-Vergasung, die in Vergasern verschiedener Ausprägung Anwendung findet sowie die Pyrolyse, bei der ebenfalls ein Brenngas erzeugt wird. Dieses wird in Verbrennungskraftmaschinen zur Stromerzeugung eingesetzt. Die Verstromung von Wärme aus der Verfeuerung von Biomasse bzw. von aus Biomasse gewonnenem Brenngas, z. B. Vergasungsgas oder Pyrolysegas, mittels Stirlingmotoren ist seit kurzem ebenfalls möglich und wird vereinzelt angewendet. Ebenso findet eine Verstromung der aus Biomasse mittels Verbrennung gewonnenen Wärme in ORC-Anlagen statt.At present, many different methods for obtaining electrical energy from biomass are being developed and used. The most widespread is the fermentation of biomass by wet and dry fermentation and power generation of the fuel gas produced in the process, referred to as biogas, in internal combustion engines. Another, also widespread, method is the combustion of biomass, mostly dried wood, in combustion plants. The heat generated in this process is converted into electrical energy in a steam power process. This method is used in wood and biomass power plants. Other processes include biomass gasification, which is used in carburettors of various types, as well as pyrolysis, in which a fuel gas is also produced. This is used in internal combustion engines for power generation. The generation of heat from the combustion of biomass or biomass derived fuel gas, z. As gasification gas or pyrolysis gas, by means of Stirling engines is also possible and is occasionally used. Likewise, the power generated from biomass via combustion is converted into electricity in ORC plants.

Allen vorgenannten Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Biomasse ist gemeinsam, dass die in den jeweiligen thermischen Prozessen anfallende Abwärme größtenteils an externe Wärmeabnehmer abgegeben wird und als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen betrieben werden.All the above-mentioned methods for obtaining electrical energy from biomass have in common that the waste heat arising in the respective thermal processes is for the most part delivered to external heat consumers and operated as combined heat and power plants.

Mit diesen dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren zur Stromerzeugung aus Biomasse sind fallweise Nachteile verbunden, die zu erheblichen Einschränkungen bei der Anwendung führen.With these state-of-the-art processes for generating electricity from biomass, there are occasionally disadvantages which lead to considerable restrictions in the application.

Die Verbrennung von Biomasse und die nachfolgende Verstromung der erzeugten Wärme, z. B. mittels Dampfkraft- und ORC-Prozessen, ist mit sehr hohem technischen Anlagenaufwand und einer geringen Effizienz für die Stromerzeugung verbunden. Bei Dampfkraftprozessen kann die Effizienz nur durch Vergrößerung der Anlage und Skalierung der elektrischen Leistung in einen hohen Leistungsbereich verbessert werden. Dieser Vorgehensweise setzen jedoch die lokal begrenzte Verfügbarkeit von Biomasse und der enorme logistische Aufwand bei der Bereitstellung von den erforderlichen Mengen am Kraftwerksstandort enge Grenzen. Überdies ist ein Betrieb von großen Kraftwerksanlagen mit Wärmenutzung, d. h. als Heizkraftwerke, nicht möglich.The combustion of biomass and the subsequent power generation of the heat generated, z. As by steam and ORC processes, is associated with very high technical equipment costs and low efficiency for power generation. In steam power processes, efficiency can only be improved by increasing the plant's capacity and scaling the electrical power to a high power range. However, this approach places narrow limits on the localized availability of biomass and the enormous logistical effort involved in providing the required quantities at the power plant site. Moreover, an operation of large power plants with heat utilization, d. H. as heating plants, not possible.

Die Verstromung von Biomassewärme aus Feuerungen in ORC-Anlagen ist ebenfalls mit sehr hohem technischen Aufwand und niedrigen, nicht verbesserungsfähigen Wirkungsgraden verbunden.The power generation of biomass heat from furnaces in ORC plants is also associated with very high technical complexity and low, non-improvable efficiencies.

Die Gewinnung von Brenngasen aus Biomasse findet in Fermentern, Vergasern und Pyrolyse-Anlagen statt. Das Brenngas wird in Verbrennungskraftmaschinen in elektrische Energie und in zum Teil nutzbare Wärme umgewandelt. Die Anlagen werden in kleinem technischen Maßstab ausgeführt und sind daher für eine dezentrale Anwendung mit Kraft-Wärme-Kopplung geeignet. Bezogen auf die im Brenngas enthaltene chemische Energie in Form des Heizwertes lassen sich mit dieser Methode beachtliche Wirkungsgrade erzielen, die weitaus höher sind als die von Dampfkraft- und ORC-Prozessen. Jedoch ist die Brenngaserzeugung mit erheblichen technischen und z. T. auch logistischen Aufwendungen verbunden. Ebenso sind je nach Verfahren vor oder nach der Brenngasgewinnung aufwendige Konditionierungsprozesse notwendig. Die Brenngaserzeugung und die vorgenannten Konditionierungsschritte vermindern die Gesamteffizienz der Stromerzeugung und erhöhen den technischen Aufwand teilweise in beträchtlichem Umfang.The extraction of fuel gases from biomass takes place in fermenters, carburetors and pyrolysis plants. The fuel gas is converted in internal combustion engines into electrical energy and partly usable heat. The systems are designed on a small technical scale and are therefore suitable for a decentralized application with combined heat and power. Based on the chemical energy contained in the fuel gas in the form of the calorific value can be achieved with this method considerable efficiencies, which are far higher than those of steam power and ORC processes. However, the fuel gas production with considerable technical and z. T. also connected logistical expenses. Likewise, depending on the process before or after the fuel gas extraction complex conditioning processes are necessary. The fuel gas production and the aforementioned conditioning steps reduce the overall efficiency of power generation and increase the technical complexity, in part, to a considerable extent.

Bei der Fermentierung in Nassfermentern können nur ausgewählte, für diesen Zweck besonders gut geeignete Biomassearten, als Energiepflanzen bezeichnet, eingesetzt werden. Das dabei gewonnene Biogas hat eine hohe Qualität und kann ohne zusätzliche Konditionierung in Verbrennungsmotoren verstromt werden. Jedoch verdrängt der zurzeit praktizierte und weit verbreitete Anbau dieser Energiepflanzen, in den meisten Fällen ist dies Mais, den Anbau von Lebensmittelpflanzen und hat somit einen erheblichen nachteiligen Einfluss auf die weltweite Lebensmittelversorgung. In Trockenfermentern lassen sich weniger hochwertige Biomassearten einsetzen, jedoch verbunden mit einer geringeren Brenngasqualität, die eine zusätzliche Konditionierung erfordert. Den Fermentierungsverfahren ist gemeinsam, dass die anfallenden Gärreste einen Teil der in der Ausgangsbiomasse vorhandenen chemischen Energie enthalten, was zu einer beträchtlichen Minderung der Gesamteffizienz beiträgt. Die Entsorgung der Gärreste insbesondere aus Nassfermentern verursacht einen großen logistischen Aufwand und z. T. beträchtliche Umweltbelastungen.When fermenting in wet fermenters only selected, for this purpose particularly suitable biomass species, called energy crops, can be used. The obtained biogas has a high quality and can be converted to electricity in combustion engines without additional conditioning. However, the widespread cultivation of these energy crops currently practiced, in most cases maize, displaces the cultivation of food crops and thus has a significant adverse impact on global food supplies. In dry fermenters, less high quality biomass species can be used, but with lower fuel gas quality, which requires additional conditioning. The common feature of the fermentation process is that the resulting fermentation residues contain part of the chemical energy present in the starting biomass, which contributes to a considerable reduction in the overall efficiency. The disposal of digestate, especially from wet fermenters causes a large logistical effort and z. T. considerable environmental pollution.

Die Erzeugung von Brenngas in Vergasern und Pyrolyseanlagen ist ebenfalls mit erheblichen Verlusten verbunden, die zu einer beträchtlichen Minderung der Gesamteffizienz bei der Stromgewinnung führt. Hinzu kommt, dass diese Brenngase oftmals nicht unmittelbar in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden können, da sie mit schädlichen Bestandteilen, vor allem mit Teerdämpfen, behaftet sind. Die dafür notwendigen Maßnahmen zur Vermeidung der Teerbildung oder zur Gasreinigung erfordern einen hohen zusätzlichen Aufwand und schränken die Auswahl der dafür eingesetzten Biomasse auf wenige geeignete Arten ein.The production of fuel gas in carburetors and pyrolysis plants is also associated with significant losses, which leads to a significant reduction in the overall efficiency of power generation. In addition, these fuel gases often can not be used directly in internal combustion engines, since they are associated with harmful components, especially with tar vapors. The necessary measures for Prevention of tar formation or gas purification requires a high additional effort and limits the selection of the biomass used for this purpose in a few suitable ways.

Bei nahezu allen Verfahren, ausgenommen bei der Fermentierung, ist eine Trocknung der Biomasse vor der Verbrennung oder Vergasung auf Wasseranteil von 20% und weniger unerlässlich. Dadurch wird die Gesamteffizienz teilweise erheblich vermindert.In almost all processes, except for fermentation, it is essential to dry the biomass before incineration or gasification to a water content of 20% or less. This partially reduces the overall efficiency significantly.

Bei den meisten Verfahren ist ein Durchlaufbetrieb für ein auskömmliches wirtschaftliches Ergebnis erforderlich. Nur wenige sind für einen intermittierenden Betrieb der Stromerzeugung geeignet, was zu erheblichen Kollisionen mit der Gewinnung von elektrischer Energie aus anderen erneuerbaren Quellen, wie z. Wind und Sonne, führt.Most processes require continuous operation for a reasonable economic result. Few are suitable for intermittent power generation, resulting in significant collisions with the generation of electrical energy from other renewable sources, such as electricity. Wind and sun, leads.

Die Aufgabenstellung des neuen Verfahrens zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Biomasse besteht darin, dass folgende Eigenschaften erfüllt werden sollen:

  • • Niedriger Aufwand bei Bau, Unterhaltung und Betrieb der Anlage
  • • Hohe Gesamteffizienz bei der Stromgewinnung
  • • Skalierung der Anlagenleistung innerhalb eines sehr großen Leistungsbereiches ab einer elektrischen Leistung von ca. 10 kW bis zu einer Größe von 10 MW und mehr
  • • Eignung von Wassergehalten der Biomasse bis 50%
  • • Verwendung von nahezu allen verfügbaren Arten von Biomasse oder Bioreststoffen
  • • Keine oder nur geringe Anforderung an die Aufbereitung der eingesetzten Biomasse
  • • Eignung für intermittierenden Betrieb, hohe Flexibilität
  • • Eignung für den Betrieb als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage
The task of the new method for obtaining electrical energy from biomass is that the following properties should be fulfilled:
  • • Low expenditure on construction, maintenance and operation of the system
  • • High overall efficiency in power generation
  • • Scaling of system power within a very large power range from an electrical power of approx. 10 kW up to a size of 10 MW and more
  • Suitability of biomass water contents up to 50%
  • • Use of almost all available types of biomass or bio-solids
  • • No or only minor requirement for the treatment of the biomass used
  • • Suitability for intermittent operation, high flexibility
  • • Suitability for operation as a combined heat and power plant

Beschreibung des VerfahrensDescription of the procedure

Die wesentlichen Bestandteile sind eine atmosphärisch betriebene Brennkammer für Biomasse und eine Heißluftturbinenanlage, in der ein Joule-Prozess angewandt wird.The essential components are an atmospheric combustion chamber for biomass and a hot air turbine plant, in which a Joule process is applied.

Die Heißluftturbinenanlage besteht aus Verdichter, Turbine, Generator und Luftvorwärmung, die als Rekuperatur oder Regenerator ausgeführt sind, um die dem Prozess zugeführte Luft mittels Wärme aus dem Turbinenabgas vorzuwärmen.The hot-air turbine plant consists of compressor, turbine, generator and air preheating, which are designed as recuperator or regenerator to preheat the air supplied to the process by means of heat from the turbine exhaust gas.

Dabei gibt es zwei Verfahrensvarianten:

  1. A. Die Ausführung als normaler Joule-Prozess (1) mit
    • - Ansaugung der Luft durch den Verdichter,
    • - Aufheizung der verdichteten Luft im Rekuperator oder Regenerator,
    • - Entspannung der Heißluft in der Turbine auf Umgebungsdruck,
    • - Einsatz der noch heißen Turbinenabluft als Verbrennungsluft in einer adiabaten atmosphärischen Brennkammer zur Verfeuerung von Biomasse bei Umgebungsdruck,
    • - Abkühlung der heißen Brennkammerabgase im Regenerator oder Rekuperator,
    • - Weitere Abkühlung der Abgase nach Austritt aus dem Regenerator oder Rekuperator in einem Abhitzekessel zur Gewinnung von nutzbarer Wärme für externe Wärmeabnehmer,
    • - Restabkühlung der Abgase nach Austritt aus dem Abhitzekessel zwecks Trocknung der Eingangsbiomasse
  2. B. Die Ausführung als atmosphärische Gasturbine (2) durch Anwendung des inversen JouleProzesses (IBC Inverse Brayton Cycle) mit
    • - Eintritt der Umgebungsluft in den Regenerator oder Rekuperator,
    • - Aufheizung der Luft im Rekuperator oder Regenerator,
    • - Einsatz der noch heißen Regenerator- oder Rekuperator- Austrittsluft als Verbrennungsluft in einer adiabaten atmosphärischen Brennkammer zur Verfeuerung von Biomasse bei Umgebungsdruck,
    • - Entspannung der heißen Brennkammerabgase in der Turbine vom Umgebungsdruck auf Unterdruck,
    • - Abkühlung der heißen Brennkammerabgase im Regenerator oder Rekuperator bei Unterdruck,
    • - Weitere Abkühlung der Abgase bei Unterdruck nach Austritt aus dem Regenerator oder Rekuperator in einem Abhitzekessel zur Gewinnung von nutzbarer Wärme für externe Wärmeabnehmer,
    • - Weitere Abkühlung der Abgase nach Austritt aus dem Abhitzekessel in einem Nachkühler zwecks Verringerung der erforderlichen Verdichtungsarbeit,
    • - Verdichtung der Abgase in einem Verdichter vom Unterdruck auf Umgebungsdruck,
    • - Erneute Abkühlung der verdichteten Abgase bei Umgebungsdruck nach Austritt aus dem Verdichter in einem weiteren Abhitzekessel zur Gewinnung von nutzbarer Wärme für externe Wärmeabnehmer,
    • - Restabkühlung der Abgase nach Austritt aus dem weiteren Abhitzekessel zwecks Trocknung der Eingangsbiomasse
There are two process variants:
  1. A. The execution as a normal joule process ( 1 ) With
    • Suction of the air through the compressor,
    • Heating the compressed air in the recuperator or regenerator,
    • - Relaxation of the hot air in the turbine to ambient pressure,
    • Use of the still hot turbine exhaust air as combustion air in an adiabatic atmospheric combustion chamber for the combustion of biomass at ambient pressure,
    • Cooling of the hot combustion gas exhaust gases in the regenerator or recuperator,
    • Further cooling of the exhaust gases after exiting the regenerator or recuperator in a waste heat boiler to obtain usable heat for external heat consumers,
    • - Residual cooling of the exhaust gases after exiting the waste heat boiler for drying the input biomass
  2. B. The design as an atmospheric gas turbine ( 2 ) by using the inverse joule process (IBC Inverse Brayton Cycle)
    • - entry of ambient air into the regenerator or recuperator,
    • - heating the air in the recuperator or regenerator,
    • Use of the still hot regenerator or recuperator outlet air as combustion air in an adiabatic atmospheric combustion chamber for the combustion of biomass at ambient pressure,
    • Relaxation of the hot combustor exhaust gases in the turbine from ambient pressure to negative pressure,
    • Cooling of the hot combustion gas exhaust gases in the regenerator or recuperator under negative pressure,
    • - Further cooling of the exhaust gases at reduced pressure after exiting the regenerator or recuperator in a waste heat boiler to obtain usable heat for external heat consumers,
    • - Further cooling of the exhaust gases after exiting the waste heat boiler in an aftercooler in order to reduce the required compaction work,
    • - compression of the exhaust gases in a compressor from negative pressure to ambient pressure,
    • - Renewed cooling of the compressed exhaust gases at ambient pressure after exiting the Compressor in another heat recovery boiler to generate usable heat for external heat consumers,
    • - Residual cooling of the exhaust gases after exiting the further waste heat boiler for drying the input biomass

Aus der Anwendung des Jouleprozesses in Gasturbinenanlagen ist bekannt, dass die Verbrennung mit einem gegenüber anderen Verbrennungsverfahren weitaus höheren Luftüberschuss stattfindet. Während das Luftverhältnis λ bei normalen Biomassefeuerungen zwischen 1,5 und 2 beträgt, erreicht der λ-Wert in dieser Anwendung eine Größenordnung von ca. 6 bis ca. 12. Auch die Temperatur der zugeführten Verbrennungsluft unterscheidet sich grundlegend von den normalen Biomassefeuerungen. Dort liegt sie bei Umgebungstemperatur oder bei 100 bis 150 °C im Falle einer Luftvorwärmung. Hier ist sie 500 °C oder z. T. wesentlich höher. Die hier vorgesehene Brennkammer stellt somit eine völlig neue Methode der Biomasseverbrennung dar. Der adiabate Betrieb ermöglicht eine nahezu 100%ige Nutzung der in der Biomasse enthaltenen Brennstoffenergie. Die mittlere Temperatur im Brennraum kann durch eine gezielte Dosierung der gesamten Verbrennungsluft auf einzelne Verbrennungszonen oder auch durch partielle Umfahrung der Brennkammer in einem Bypass soweit beeinflusst werden, dass optimale Bedingungen für den Abbrand und für die Minimierung der Emissionen von Schadstoffen wie Staub, Flugasche, Kohlenmonoxid und Stickoxide erreicht werden. Ebenso kann auf diese Weise die Bildung von Schlacke aus der in der Biomasse enthaltenen Asche unterdrückt werden.From the application of the Joule process in gas turbine plants, it is known that the combustion takes place with a much higher excess of air than other combustion processes. While the air ratio λ in normal biomass furnaces between 1.5 and 2, the λ-value in this application reaches a magnitude of about 6 to about 12. Also, the temperature of the combustion air supplied differs fundamentally from the normal biomass furnaces. There it is at ambient temperature or at 100 to 150 ° C in the case of air preheating. Here it is 500 ° C or z. T. much higher. The combustion chamber provided here thus represents a completely new method of biomass combustion. The adiabatic operation allows almost 100% utilization of the fuel energy contained in the biomass. The average temperature in the combustion chamber can be influenced by selective metering of the entire combustion air to individual combustion zones or by partial bypassing of the combustion chamber in a bypass that optimal conditions for combustion and for minimizing emissions of pollutants such as dust, fly ash, carbon monoxide and nitrogen oxides are achieved. Likewise, in this way the formation of slag from the ashes contained in the biomass can be suppressed.

Vorteile des Verfahrens gegenüber dem Stand der TechnikAdvantages of the method over the prior art

  • • Im Vergleich zu der herkömmlichen Verbrennung der Biomasse und der Verstromung der dabei erzeugten Wärme in Dampfkraft- und ORC-Anlagen sind die Wirkungsgrade des hier vorgestellten Verfahrens wesentlich höher und die Kosten für Bau und Betrieb der Anlage wesentlich niedriger.• Compared with the conventional combustion of biomass and the generation of heat produced in steam power and ORC plants, the efficiencies of the process presented here are much higher and the costs for construction and operation of the plant are much lower.
  • • Gegenüber der Stromgewinnung mittels Fermentierung bietet dieses Verfahren eine höhere Gesamteffizienz, drastisch reduzierte Anlagenkosten, minimalen logistischen Aufwand, keinerlei Einschränkungen bei der Auswahl der Biomasse und keine Umweltbelastungen durch Gärreste.• Compared to fermentation power generation, this process offers higher overall efficiency, dramatically reduced equipment costs, minimal logistical effort, no biomass selection limits, and no environmental pollution from digestate.
  • • Auch im Vergleich zu den Vergasungsverfahren (Vergasung, Pyrolyse) mit nachfolgender Brenngasverstromung hat dieses Verfahren keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der einsetzbaren Biomasseart und keine durch Brenngasverunreinigungen verursachten Probleme. Auch hier sind die Gesamtaufwendungen beim Bau der Anlage wesentlich niedriger.• Even compared to the gasification (gasification, pyrolysis) with subsequent combustion of gas, this method has no restrictions on the applicable biomass type and no problems caused by fuel gas contamination. Again, the total cost of construction of the system are much lower.

Weitere Ausgestaltung des VerfahrensFurther embodiment of the method

Durch eine Ausstattung mit Regeneratoren und eine Ausführung derselben als größere Speichereinheiten lässt sich das System flexibel an die spezifischen Erfordernisse der zukünftigen Stromerzeugung anpassen. Die Speichereinheiten ermöglichen einen intermittierenden Betrieb, der dem fluktuierenden Strombedarf und der volatilen Stromgewinnung aus Wind und Sonne flexibel angepasst werden kann. Dabei kann das Biomasse-Verbrennungsmodul durchlaufend mit einer weitgehend konstanten Feuerungsleistung betrieben werden. (3)Equipped with regenerators and designed as larger storage units, the system can be flexibly adapted to the specific requirements of future power generation. The storage units enable intermittent operation, which can be flexibly adapted to the fluctuating power requirements and the volatile power generation from wind and sun. In this case, the biomass combustion module can be operated continuously with a largely constant firing capacity. ( 3 )

Der elektrische Wirkungsgrad des Gesamtsystems kann noch erhöht werden, indem in einer Verfahrensvariante C eine Kombination der vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten gemäß A und B in einer Anlage vorgenommen wird. Dabei können weiter Prozessverbesserungsmaßnahmen, die aus der thermischen Kraftwerkstechnik als Zwischenkühlung bei der Verdichtung und Zwischenüberhitzung bei der Entspannung bekannt sind, angewendet werden und eine zusätzlich Effizienzsteigerung bewirken. (4)The electrical efficiency of the overall system can be further increased by a process variant C a combination of the method variants described above A and B is made in a plant. It can further process improvement measures that are known from the thermal power plant technology as intermediate cooling in the compression and reheat during the relaxation, be applied and cause an additional increase in efficiency. ( 4 )

Für die Ausführung der adiabaten Brennkammer ergeben sich ebenfalls weitere Möglichkeiten zur Ausgestaltung zwecks Anpassung des Betriebs an die unterschiedlichsten Biomassearten und Wassergehalte. So lässt sich der gesamte Luftstrom in einen Primärluftstrom, mehrere Sekundärluftströme und einen Bypassluftstrom aufteilen. Die Primärluft wird der Brennkammer parallel mit der Biomasse zugeführt. Die Sekundärluftströme treten in geeigneter Dosierung in verschiedene Zonen der Brennkammer ein, um dort die jeweilige Verbrennungsphase zu unterstützen und zu optimieren. Die Bypassluft wird dem heißen, die Brennkammer verlassenden Abgas beigemischt, um die Gastemperatur auf die für die Turbine oder den Rekuperator zulässige Höchsttemperatur zu begrenzen.For the execution of the adiabatic combustion chamber, there are also other possibilities for the design for the purpose of adapting the operation to a wide variety of biomass types and water contents. Thus, the entire air flow can be divided into a primary air flow, several secondary air flows and a bypass air flow. The primary air is supplied to the combustion chamber in parallel with the biomass. The secondary air streams enter in suitable doses in different zones of the combustion chamber, there to support and optimize the respective combustion phase. The bypass air is admixed with the hot exhaust gas leaving the combustion chamber to limit the gas temperature to the maximum temperature allowed for the turbine or recuperator.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

  • Legende zu 1
    1
    Außenluft (Verdichtereintritt)
    2
    Verdichteraustrittsluft
    3
    Turbineneintrittsluft (nach Regenerator, Rekuperator)
    4
    Turbinenaustrittsluft, Zuluft zur Brennkammer
    5
    Brennkammerabgas
    6
    Abgas hinter Rekuperator, Regenerator
    7
    Abgas hinter Abhitzekessel, vor Trocknungskammer
    8
    Abgas am Austritt der Trocknungskammer
    9
    Rohbiomasse
    10
    Getrocknete Biomasse
    V
    Verdichter
    T
    Turbine
    B
    Brennkammer
    R
    Rekuperator, Regenerator
    A
    Abhitzekessel
    Tr
    Trocknungskammer zur Biomassetrocknung
    Legend too 1
    1
    Outside air (compressor inlet)
    2
    Compressor discharge air
    3
    Turbine inlet air (after regenerator, recuperator)
    4
    Turbine outlet air, supply air to the combustion chamber
    5
    combustion chamber exhaust
    6
    Exhaust behind recuperator, regenerator
    7
    Exhaust behind heat recovery boiler, in front of drying chamber
    8th
    Exhaust gas at the outlet of the drying chamber
    9
    raw biomass
    10
    Dried biomass
    V
    compressor
    T
    turbine
    B
    combustion chamber
    R
    Recuperator, regenerator
    A
    waste heat boiler
    Tr
    Drying chamber for biomass drying
  • Lesende zu 2
    1
    Außenluft (Eintritt in den Rekuperator, Regenerator)
    2
    Heißluft nach Rekuperator, Regenerator, Brennkammerzuluft
    3
    Heißgas am Brennkammeraustritt und Turbineneintritt
    4
    Turbinenabgas, Eintritt in den Rekuperator, Regenerator
    5
    Abgas vor Abhitzekessel 1
    6
    Abgas vor Nachkühler
    7
    Abgas am Verdichtereintritt
    8
    Abgas vor Abhitzekessel 2
    9
    Abgas vor Trocknungskammer
    10
    Abgas hinter Trocknungskammer
    11
    Rohbiomasse
    12
    Getrocknete Biomasse
    V
    Verdichter
    T
    Turbine
    B
    Brennkammer
    R
    Rekuperator, Regenerator
    A1
    Abhitzekessel 1
    A2
    Abhitzekessel 2
    Tr
    Trocknungskammer zur Biomassetrocknung
    NK
    Nachkühler
    Reading too 2
    1
    Outside air (entry into the recuperator, regenerator)
    2
    Hot air after recuperator, regenerator, combustion air supply
    3
    Hot gas at the combustion chamber outlet and turbine inlet
    4
    Turbine exhaust, inlet to the recuperator, regenerator
    5
    Exhaust gas in front of waste heat boiler 1
    6
    Exhaust before aftercooler
    7
    Exhaust gas at the compressor inlet
    8th
    Exhaust gas in front of waste heat boiler 2
    9
    Exhaust gas in front of the drying chamber
    10
    Exhaust gas behind the drying chamber
    11
    raw biomass
    12
    Dried biomass
    V
    compressor
    T
    turbine
    B
    combustion chamber
    R
    Recuperator, regenerator
    A1
    Waste heat boiler 1
    A2
    Waste heat boiler 2
    Tr
    Drying chamber for biomass drying
    NK
    aftercooler
  • Legende zu 3
    1
    Außenluft (Verdichtereintritt, Verdichter 1)
    2
    Verdichteraustrittsluft (verdichter 1)
    3
    Turbineneintrittsluft Turbine 1 (nach Regenerator, Rekuperator)
    4
    Turbinenaustrittsluft (Turbine 1), Zuluft zur Brennkammer
    5
    Brennkammerabgas, Heißgas zur Turbine 2
    6
    Turbinenaustrittsgas (Turbine 2)
    7
    Abgas hinter Rekuperator, Regenerator
    8
    Abgas hinter Abhitzekessel 1, Nachkühlerentritt
    9
    Abgas am Eintritt Verdichter 2
    10
    Abgas vor Abhitzekessel 2
    11
    Abgas am Trocknereintritt
    12
    Abgas am Trockneraustritt
    13
    Rohbiomasse
    14
    Getrocknete Biomasse
    V1
    Verdichter 1
    V2
    Verdichter 2
    T1
    Turbine 1
    T2
    Turbine 2
    B
    Brennkammer
    R
    Rekuperator, Regenerator
    A1
    Abhitzekessel 1
    A2
    Abhitzekessel 2
    Tr
    Trocknungskammer zur Biomassetrocknung
    Legend too 3
    1
    Outside air (compressor inlet, compressor 1)
    2
    Compressor outlet air (compressor 1)
    3
    Turbine inlet air turbine 1 (after regenerator, recuperator)
    4
    Turbine outlet air (turbine 1), supply air to the combustion chamber
    5
    Combustion chamber exhaust gas, hot gas to the turbine 2
    6
    Turbine outlet gas (turbine 2)
    7
    Exhaust behind recuperator, regenerator
    8th
    Exhaust gas behind waste heat boiler 1, aftercooler step
    9
    Exhaust gas at inlet compressor 2
    10
    Exhaust gas in front of waste heat boiler 2
    11
    Exhaust gas at the drier inlet
    12
    Exhaust gas at the dryer outlet
    13
    raw biomass
    14
    Dried biomass
    V1
    Compressor 1
    V2
    Compressor 2
    T1
    Turbine 1
    T2
    Turbine 2
    B
    combustion chamber
    R
    Recuperator, regenerator
    A1
    Waste heat boiler 1
    A2
    Waste heat boiler 2
    Tr
    Drying chamber for biomass drying
  • Legende zu 4
    1
    Brennkammerzuluft
    2
    Sekundärluft
    3
    Heißgas am Brennkammeraustritt
    4
    Bypaßluft
    5
    Mischgas vor Turbine bzw. Rekuperatur, Regenerator
    Legend too 4
    1
    Brennkammerzuluft
    2
    secondary air
    3
    Hot gas at the combustion chamber outlet
    4
    Bypaßluft
    5
    Mixed gas before turbine or recuperator, regenerator

Claims (7)

Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Biomasse mittels Verbrennung und Verstromung der dabei erzeugten Wärme in einem thermischen Kraftwerksprozess, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse in einer adiabaten Brennkammer bei Umgebungsdruck mit hochtemperierter Verbrennungsluft und hohem Luftüberschuss, der mindestens das Vierfache der für die Verbrennung erforderlichen Mindestluftmenge beträgt, verbrannt wird und das dabei entstehende Heißgas einem thermischen Kraftwerksprozess zugeführt wird.Process for the production of electrical energy from biomass by combustion and power generation of the heat generated in a thermal power plant process, characterized in that the biomass in an adiabatic combustion chamber at ambient pressure with high-temperature combustion air and high excess air, which is at least four times that for combustion required minimum amount of air is burned and the resulting hot gas is fed to a thermal power plant process. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgas zwecks Erwärmung der aus einem Verdichter austretenden Luft in einem Regenerator oder Rekuperator abgekühlt und die dabei aufgeheizte Verdichterluft zur Gewinnung von mechanischer Energie in einer Turbine auf Umgebungsdruck entspannt und der adiabaten Brennkammer als Verbrennungsluft zugeführt wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the hot gas is cooled in order to heat the exiting a compressor air in a regenerator or recuperator and thereby heated compressor air to recover mechanical energy in a turbine to ambient pressure and the adiabatic combustion chamber is supplied as combustion air. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgas mit Umgebungsdruck einer Heißgasturbine zugeleitet, darin zwecks Gewinnung von mechanischer Energie auf einen Unterdruck entspannt und anschließend in einem Rekuperator oder Regenerator zwecks Erwärmung der von außen angesaugten Verbrennungsluft abgekühlt wird und nachfolgend in einem Verdichter auf Umgebungsdruck verdichtet wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the hot gas supplied to ambient pressure of a hot gas turbine, it is relaxed to a vacuum to recover mechanical energy and then cooled in a recuperator or regenerator to heat the externally drawn combustion air and is subsequently compressed in a compressor to ambient pressure. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Brennkammer mit Umgebungsdruck austretende Heißgas vor Eintritt in den Rekuperator oder Regenerator in einer Turbine zur Gewinnung von mechanischer Energie auf einen Unterdruck entspannt und anschließend in einem Rekuperator oder Regenerator zwecks Erwärmung der verdichteten Verbrennungsluft abgekühlt wird und nachfolgend in einem Verdichter auf Umgebungsdruck verdichtet wird.Method according to Claim 2 , characterized in that the emerging from the combustion chamber at ambient pressure hot gas before entering the recuperator or regenerator in a turbine to recover mechanical energy to a reduced pressure and then cooled in a recuperator or regenerator to heat the compressed combustion air and subsequently in a Compressor is compressed to ambient pressure. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas vor dem Verlassen des Prozesses in einem oder mehreren Abhitzekesseln zur Gewinnung von extern nutzbarer Heizwärme zusätzlich abgekühlt wird.Method according to the Claims 1 to 4 , characterized in that the exhaust gas is additionally cooled before leaving the process in one or more waste heat boilers for the production of externally usable heating heat. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einer sehr großen Speicherkapazität ausgestatteten Regeneratoren zeitweilig zur Gewinnung von zusätzlicher elektrischer Energie entleert werden.Method according to the Claims 2 to 4 , characterized in that the equipped with a very large storage capacity regenerators are temporarily emptied to obtain additional electrical energy. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer ein Teil der Verbrennungsluft als Primärluft, weitere Anteile als Sekundärluftströme in ausgewählten Verbrennungszonen zugeführt werden und ein restlicher Anteil der Verbrennungsluft dem aus der Brennkammer austretenden Heißgas zwecks Begrenzung der Gastemperatur auf den für den Rekuperator oder Regenerator oder die Turbine maximal zulässigen Höchstwert beigemischt wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the combustion chamber, a portion of the combustion air as primary air, further proportions are supplied as secondary air streams in selected combustion zones and a residual portion of the combustion air exiting the combustion chamber hot gas in order to limit the gas temperature to that for the recuperator or regenerator or the turbine maximum permissible maximum value.
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