DE102018005820A1

DE102018005820A1 - Extraction of electrical energy from biomass

Info

Publication number: DE102018005820A1
Application number: DE102018005820.5A
Authority: DE
Inventors: Rainer Schlitt; Fritz Richarts
Original assignee: Richarts & Schlitt GbR (vertretungsberechtigter Gesellschafter Rainer Schlitt 36320 Kirtorf); Richarts & Schlitt GbR Vertretungsberechtigter Ges Rainer Schlitt 36320 Kirtorf
Current assignee: Richarts & Schlitt GbR (vertretungsberechtigter Gesellschafter Rainer Schlitt 36320 Kirtorf); Richarts & Schlitt GbR Vertretungsberechtigter Ges Rainer Schlitt 36320 Kirtorf
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2020-01-30

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. 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 atmosphärischen adiabaten Brennkammer, in der die Biomasse bei hohen Temperaturen und hohem Luftüberschuss verbrannt wird. Das dabei entstehende Heißgas wird in einem Gasturbinenprozess 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 to generate electricity from biomass. These range from combustion and steam power and ORC plants to wood gasification and pyrolysis and internal combustion engines to fermentation with biogas generation and electricity generation. All of these methods have e.g. T. different features that adversely affect the application. In the case of steam power and ORC processes, the high investment costs and low efficiency make application difficult. In gasification and pyrolysis plants, the fuel gases usually contain harmful components that require complex conditioning. In addition, there are restrictions on the usable biomass. For the fermentation only selected, e.g. T. high quality, elaborately produced types of biomass are used. Another disadvantage of wet fermentation is the extraction of biomass on agricultural land where no food can be obtained. The solution proposed here is based on an atmospheric adiabatic combustion chamber in which the biomass is burned at high temperatures and high excess air. The hot gas generated is converted into electricity in a gas turbine process. A suitable choice of the design and operating parameters for the combustion and the power plant results in low investment and maintenance costs, high efficiency levels and a high degree of flexibility with regard to the biomass that can be used, the size of the plant and the mode of operation, so that almost all previous disadvantages of biomass power generation are avoided Large performance range, the wide range of usable biomass and the favorable investment and maintenance costs enable a wide use of this technology. The flexible power generation operation is an ideal addition to the volatile electricity from wind and sun and leads to a sustainable improvement in the supply of a fluctuating electricity load. In addition to the pure power generation, the thermal process can also be used with combined heat and power, combined with a significant increase in efficiency in the overall use of biomass.

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.Numerous different processes for the production of electrical energy from biomass are currently being developed and used. The most widespread is the fermentation of biomass by means of wet and dry fermentation and the generation of electricity from the fuel gas produced, referred to as biogas, in internal combustion engines. Another, also widely used method is the combustion of biomass, mostly dried wood, in combustion plants. The heat generated 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 gasifiers of various types, and pyrolysis, in which a fuel gas is also generated. This is used in internal combustion engines to generate electricity. The generation of electricity from heat from the combustion of biomass or from fuel gas obtained from biomass, e.g. B. gasification gas or pyrolysis gas, using Stirling engines has also recently become possible and is used occasionally. Electricity is also generated from the heat obtained from biomass by combustion in ORC systems.

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.Common to all of the above-mentioned methods for obtaining electrical energy from biomass is that the waste heat generated in the respective thermal processes is largely given off 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.In some cases, these state-of-the-art methods for generating electricity from biomass are associated with disadvantages which lead to considerable restrictions in use.

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 generation of electricity from the heat generated, e.g. B. by means of steam power and ORC processes, is associated with very high technical outlay and low efficiency for power generation. In steam power processes, efficiency can only be improved by enlarging the system and scaling the electrical output to a high output range. However, the locally limited availability of biomass and the enormous logistical effort involved in the provision of the required quantities at the power plant site place strict limits on this approach. In addition, operation of large power plants with heat utilization, i. H. as thermal power stations, 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 generation of electricity from biomass heat from furnaces in ORC systems is also associated with a very high level of technical complexity and low efficiencies that cannot be improved.

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, gasifiers and pyrolysis plants. In internal combustion engines, the fuel gas is converted into electrical energy and heat that can be used in part. The systems are designed on a small technical scale and are therefore suitable for decentralized use with combined heat and power. In relation to the chemical energy contained in the fuel gas in the form of the calorific value, this method can achieve considerable efficiencies that are far higher than that of steam power and ORC processes. However, the fuel gas generation with considerable technical and z. T. also connected logistical expenses. Likewise, depending on the process, complex conditioning processes are necessary before or after the fuel gas is extracted. The fuel gas generation and the above-mentioned conditioning steps reduce the overall efficiency of the power generation and increase the technical outlay in some cases 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 types of biomass, particularly suitable for this purpose, referred to as energy plants, can be used. The biogas obtained is of high quality and can be converted into electricity in internal combustion engines without additional conditioning. However, the currently practiced and widespread cultivation of these energy crops, in most cases maize, is superseding the cultivation of food crops and thus has a significant adverse impact on the global food supply. Less high-quality types of biomass can be used in dry fermenters, but combined with a lower fuel gas quality, which requires additional conditioning. The fermentation processes have in common that the digestate obtained contains part of the chemical energy present in the starting biomass, which contributes to a considerable reduction in the overall efficiency. The disposal of the digestate, especially from wet fermenters, causes a great 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 gasifiers and pyrolysis plants is also associated with considerable losses, which leads to a considerable reduction in the overall efficiency in the generation of electricity. In addition, these fuel gases can often not be used directly in internal combustion engines because they contain harmful components, especially tar vapors. The measures necessary for this Avoiding the formation of tar or for gas cleaning require a lot of additional effort and limit the selection of the biomass used for this 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, drying the biomass before combustion or gasification to a water content of 20% or less is essential. This significantly reduces the overall efficiency.

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 satisfactory economic result. Only a few are suitable for intermittent operation of power generation, which leads to considerable collisions with the generation of electrical energy from other renewable sources, such as. 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 process for the production of electrical energy from biomass is that the following properties are to be fulfilled:

• Low expenditure in the construction, maintenance and operation of the plant
• High overall efficiency in electricity generation
• Scaling of the system output within a very large output range from an electrical output of approx. 10 kW up to a size of 10 MW and more
• Suitability of water content of the biomass up to 50%
• Use of almost all available types of biomass or bio residues
• Little or no requirement for the processing 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 main components are an atmospheric combustion chamber for biomass and a hot air turbine system in which a Joule process is used.

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 system consists of a compressor, turbine, generator and air preheating, which are designed as recuperators or regenerators to preheat the air supplied to the process by means of heat from the turbine exhaust gas.

Dabei gibt es zwei Verfahrensvarianten:

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
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:

A. Execution as a normal Joule process ( 1 ) With
- Air intake through the compressor,
- - heating of the compressed air in the recuperator or regenerator,
- - expansion 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 chamber 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 to dry the input biomass
B. The execution as an atmospheric gas turbine ( 2 ) by using the inverse Joule process (IBC Inverse Brayton Cycle)
- - entry of the 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 combustion chamber exhaust gases in the turbine from the ambient pressure to negative pressure,
- Cooling of the hot combustion chamber exhaust gases in the regenerator or recuperator at negative pressure,
- - Further cooling of the exhaust gases at negative 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 compression work required,
- Compression of the exhaust gases in a compressor from negative pressure to ambient pressure,
- - Cooling of the compressed exhaust gases again at ambient pressure after exiting the Compressor in another waste heat boiler for the production of usable heat for external heat consumers,
- - Residual cooling of the exhaust gases after exiting the further waste heat boiler in order to dry 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. 20. 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.It is known from the use of the joule process in gas turbine plants that the combustion takes place with a much higher air excess than other combustion processes. While the air ratio λ in normal biomass firing is between 1.5 and 2, the λ value in this application reaches around 6 to approx. 20. The temperature of the supplied combustion air also differs fundamentally from normal biomass firing. There it is at ambient temperature or 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. Adiabatic operation enables the fuel energy contained in the biomass to be used almost 100%. The average temperature in the combustion chamber can be influenced by targeted metering of the entire combustion air to individual combustion zones or by partially bypassing the combustion chamber in a bypass to such an extent that optimal conditions for combustion and for minimizing the emissions of pollutants such as dust, fly ash, carbon monoxide and nitrogen oxides can be achieved. The formation of slag from the ash contained in the biomass can also be suppressed in this way.

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

• In comparison to the conventional combustion of biomass and the generation of electricity from the heat generated in steam power and ORC plants, the efficiency of the process presented here is much higher and the costs for the construction and operation of the plant are significantly lower.
• Compared to the generation of electricity by fermentation, this process offers higher overall efficiency, drastically reduced plant costs, minimal logistical effort, no restrictions in the selection of biomass and no environmental pollution due to digestate.
• Even in comparison to the gasification processes (gasification, pyrolysis) with subsequent fuel gas generation, this process has no restrictions with regard to the type of biomass that can be used and no problems caused by fuel gas contamination. Here, too, the total expenditure for the construction of the plant is significantly lower.

Weitere Ausgestaltung des VerfahrensFurther design of the process

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 electricity generation. The storage units enable intermittent operation, which can be flexibly adapted to fluctuating electricity requirements and volatile electricity generation from wind and sun. The biomass combustion module can be operated continuously with a largely constant combustion output. ( 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.The electrical efficiency of the overall system can be increased even further by using a process variant C a combination of the method variants described above A and B is carried out in a plant. Further process improvement measures, which are known from thermal power plant technology as intermediate cooling during compression and intermediate superheating during expansion, can be used and can additionally increase efficiency.

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 further possibilities for the design in order to adapt the operation to the most diverse types of biomass and water content. 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 fed to the combustion chamber in parallel with the biomass. The secondary air flows enter the various zones of the combustion chamber in a suitable dosage in order to support and optimize the respective combustion phase. The bypass air is mixed with the hot exhaust gas leaving the combustion chamber in order to limit the gas temperature to the maximum temperature permitted for the turbine or the 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 gas behind recuperator, regenerator
7: Exhaust gas behind the waste heat boiler, in front of the drying chamber
8th: Exhaust gas at the exit 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 drying biomass

Legende 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

Legend too 2

1: Outside air (entry into the recuperator, regenerator)
2: Hot air after recuperator, regenerator, combustion chamber supply air
3: Hot gas at the combustion chamber outlet and turbine inlet
4: Turbine exhaust, entry into the recuperator, regenerator
5: Exhaust gas before the waste heat boiler 1
6: Exhaust gas before aftercooler
7: Exhaust gas at the compressor inlet
8th: Exhaust gas before the 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 drying biomass
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 gas behind recuperator, regenerator
8th: Exhaust gas behind the waste heat boiler 1 , Aftercooler kick
9: Exhaust gas at the compressor inlet 2
10: Exhaust gas before the waste heat boiler 2
11: Exhaust gas at the dryer 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 drying biomass

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 upstream of the turbine or recuperation, regenerator

Claims

Process for the production of electrical energy from biomass by means of combustion and generation of electricity from 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 a large excess of air, which is at least four times that for the combustion required minimum amount of air is burned and the resulting hot gas is fed to a thermal power plant process.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the hot gas is cooled in a regenerator or recuperator for the purpose of heating the air emerging from a compressor, and the compressor air which is heated in the process is expanded to ambient pressure in order to obtain mechanical energy in a turbine and is supplied to the adiabatic combustion chamber as combustion air.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the hot gas is fed at ambient pressure to a hot gas turbine, expanded to a negative pressure for the purpose of obtaining mechanical energy and then cooled in a recuperator or regenerator for the purpose of heating the combustion air sucked in from the outside and subsequently compressed to ambient pressure in a compressor.

Procedure according to Claim 3 , characterized in that the hot gas emerging from the combustion chamber at ambient pressure is expanded to negative pressure in a turbine for obtaining mechanical energy before entering the recuperator or regenerator and is then cooled in a recuperator or regenerator for the purpose of heating the compressed combustion air and subsequently in one Compressor is compressed to ambient pressure.

Procedure 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 in order to obtain heat that can be used externally.

Procedure according to the Claims 2 to 4 , characterized in that the regenerators are equipped with a very large storage capacity and are temporarily emptied to obtain additional electrical energy.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that part of the combustion air is fed to the combustion chamber as primary air, further portions as secondary air flows in selected combustion zones and a remaining portion of the combustion air is the hot gas emerging from the combustion chamber in order to limit the gas temperature to the maximum for the recuperator or regenerator or the turbine admissible maximum value is added.