DE19703197A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Holz und/oder Biomassen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Holz und/oder Biomassen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Verbrennung von Holz und/oder Biomassen in einem Reaktor mit einer zirkulierenden Wirbel­ schicht mit reinem Sauerstoff.
Neben den verschiedenen Verbrennungsarten, wie Ver­ brennung auf einem Rost oder in einer stationären Wirbelschicht, ist es auch bekannt, Verbrennungs-, Vergasungs- oder Entgasungsverfahren mittels einer zirkulierenden Wirbelschicht durchzuführen.
Wird bei einer Verbrennung reiner Sauerstoff zuge­ führt, treten auch bei einer Verbrennung in einer zirkulierenden Wirbelschicht normalerweise sehr hohe Temperaturen auf, denen üblicherweise verwendete Feu­ erfestmaterialien über einen längeren Zeitraum nicht standhalten können und demzufolge relativ häufig War­ tungs- und Reparaturarbeiten erforderlich sein wür­ den.
Dem kann dadurch entgegengewirkt werden, daß eine Rauchgasrückführung vorgesehen ist, bei der gekühltes Rauchgas in die zirkulierte Wirbelschicht geführt und so eine Verringerung der Prozeßtemperatur erreicht werden kann. Die bei der Sauerstoffverbrennung auf­ tretenden sehr hohen Temperaturen erfordern einen sehr großen Rauchgasmassenstrom und dies führt zu sehr hohen Kosten, da die erforderlichen Aggregate (Verdichter, Wärmetauscher) entsprechend groß dimen­ sioniert werden müssen und auch eine entsprechend hohe Kapazität und damit insbesondere der Verdichter einen hohen Energiebedarf aufweist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzugeben, mit dem es möglich ist, die Kosten für den Betrieb und die Anlage zu verrin­ gern und eine Möglichkeit zu schaffen, daß bei der Verbrennung gebildete Rauchgas einer anderweitigen Nutzung zuzuführen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 für das Verfahren und die Merk­ male des Patentanspruchs 13 für die Vorrichtung ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiter­ bildungen der Erfindung ergeben sich bei Nutzung der in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmale.
Die erfindungsgemäße Verfahrensführung erfolgt dabei so, daß Holz und/oder Biomasse als Brennstoff in ei­ nen Reaktor eingebracht wird, in dem eine zirkulie­ rende Wirbelschicht ausgebildet ist. Es können aber auch andere kohlenstoffhaltige Brennstoffe, wie z. B. chlorfreie Kunststoffe zueinander zugemischt werden.
Durch die im Reaktor herrschenden relativ hohen Strö­ mungsgeschwindigkeiten wird ein relativ hoher Anteil an Feststoff (inertes Material - Sand -, verbrannter, teilweise verbrannter und unverbrannter Brennstoff) mit dem Rauchgas aus dem Reaktor ausgetragen.
Mit einem in der Rauchgasrückführung angeordneten Feststoffabscheider werden zumindest die größeren Teile an Feststoff aus dem Rauchgasstrom separiert und anschließend durch einen Wärmetauscher geführt, und gleichzeitig abgekühlt. Die gekühlten Feststoffe gelangen über eine gesonderte Feststoffrückführung in den Reaktor, wobei dort vorteilhaft ein Siphon ver­ wendet werden kann, um einen problemlosen Feststoff­ eintrag zu ermöglichen.
Das weitgehend von Feststoffen befreite Rauchgas ge­ langt dann zum Teil über einen zweiten Wärmetauscher wieder in den Reaktor und kann dort gesondert oder gemeinsam mit dem zur Verbrennung erforderlichen Sau­ erstoff eingeführt werden. Für die Rückführung des gereinigten und gekühlten Rauchgases kann ein Ver­ dichter verwendet werden, dessen Leistungsparameter um den Faktor ca. 5 kleiner als dies ohne die bereits beschriebene Feststoffkühlung der Fall wäre, gewählt werden kann. Der Massenstrom des rückgeführten, ge­ kühlten Rauchgases kann problemlos über die Verdich­ terleistung eingestellt werden. Es hat sich als vor­ teilhaft erwiesen, das Verhältnis von Sauerstoff und Rauchgas, das in den Reaktor eingeführt wird, bei ca. 1 : 2 bis 1 : 3 zu halten.
Die Verbrennung im Reaktor erfolgt bei leichtem Sau­ erstoffüberschuß, was bedeutet, daß geringfügig mehr Sauerstoff in den Reaktor geführt wird, als für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes erforder­ lich ist.
Da die aus dem Rauchgas separierten Feststoffe nahezu vollständig in den Reaktor rückgeführt werden, soll die Temperatur in der zirkulierenden Wirbelschicht im Reaktor durch den Massenstrom an rückgeführtem, ge­ kühltem Rauchgas beeinflußt werden. Dabei wird der Massenstrom so eingestellt, daß eine Temperatur von 1000°C in der zirkulierenden Wirbelschicht nicht überschritten wird und bevorzugt die Temperatur im Bereich zwischen 800 und 900°C gehalten wird.
In vorteilhafter Weise kann die Abwärme des Rauchga­ ses und/oder der Feststoffe anderweitig als Sekundär­ energie genutzt werden, wobei sie günstigerweise auch gleichzeitig für die Trocknung der Brennstoffe ausge­ nutzt werden kann.
Durch die Verwendung von reinem Sauerstoff für die Verbrennung weist das getrocknete Rauchgas einen sehr hohen Anteil an Kohlendioxid (< 95%) auf. Außerdem kann noch eine geringe Menge an Sauerstoff, Spuren an Kohlenmonoxid und Schwefeldioxid im Rauchgas enthal­ ten sein, die mit bekannten Verfahren aus dem Rauch­ gas separiert werden können, so daß das Kohlendioxid abgezogen und für andere Verwendungen genutzt werden kann. Der im Rauchgas noch enthaltene Restanteil an Sauerstoff kann beispielsweise mit bekannten chemi­ schen Verfahren (z. B. Wäsche) entfernt werden.
Der für die Kühlung des Rauchgases verwendete Wärme­ tauscher bringt weitere Vorteile mit sich, da das Rauchgas getrocknet wird und anschließend an diese Trocknung eine weitere Feststoffabscheidung vorgese­ hen werden kann, in der neben der Entfernung von Feinstaub auch Wasser und Säurebildner, wie Schwefel­ dioxid separierbar sind.
Zur Beeinflussung der Prozeßtemperatur im Reaktor kann als redundantes System auch eine Wasserzuführung vorgesehen sein, die bei Überhitzung die Zufuhr von Wasser in den Reaktor aktiviert. Dabei kann auch Ab­ wasser, das bei der Trocknung des Brennstoffes oder der Kühlung des Rauchgases anfällt, in den Verbren­ nungsprozeß geführt werden, so daß eine gesonderte Abwasserbehandlung vermieden werden kann.
Für die Verbrennung in der zirkulierenden Wirbel­ schicht wird vorteilhaft Holz mit einer Körnung < 50 mm, bevorzugt < 30 mm in den Reaktor eingeführt. Der Eintrag in den Reaktor kann dabei vorteilhaft, beispielsweise mit einem Schneckenförderer, erfolgen, der aufwendige Schleusensysteme vermeidet.
Als Inertmaterial für die Ausbildung der zirkulieren­ den Wirbelschicht wird Sand in einer mittleren Kör­ nung < 1 mm verwendet. Dies führt zu günstigen Vor­ aussetzungen für einen hohen Umlauf und bei der Küh­ lung, da sich die Temperatur der relativ kleinen Par­ tikel relativ schnell verringern läßt.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungs­ beispiel näher beschrieben werden.
Dabei zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In einem Reaktor 1, in dem eine zirkulierende Wirbel­ schicht ausgebildet wird, wird bei einem Eintrag 2 im unteren Bereich des Reaktors 1 Brennstoff (Holz und/oder Biomasse) eingeführt.
Am Boden des Reaktors 1 wird zur Ausbildung der zir­ kulierenden Wirbelschicht über mehrere Lanzen reiner Sauerstoff und rückgeführtes, gekühltes Rauchgas über die Leitung 3 eingebracht.
Am Kopf des Reaktors 1 wird das bei der Verbrennung gebildete Rauchgas, in dem ein relativ hoher Anteil an Feststoffen enthalten ist, über die Leitung 17 abgezogen und einem Feststoffabscheider 4 (Zyklon) zugeführt. Die mit dem Feststoffabscheider 4 sepa­ rierten Feststoffe gelangen in einen ersten Wärmetau­ scher 5 und werden dort gekühlt und nachfolgend über die Feststoffrückführung 6 in den Boden des Reaktors 1 eingetragen, um die Temperatur im Reaktor 1 zu ver­ ringern. In die Feststoffrückführung 6 kann vorteil­ haft ein Siphon 13 eingesetzt werden, mit dem ein weitestgehender gasdichter Abschluß zwischen Wärme­ tauscher 5 und Reaktor 1 erreichbar ist. Die Leitun­ gen 11 und 12 können die gewonnene Abwärme entweder zu einem nicht dargestellten Dampferzeuger oder zur Vortrocknung der Brennstoffe leiten, wie dies nach­ folgend bei der Nutzung der Abwärme eines zweiten Wärmetauschers 7 noch zu beschreiben ist.
Das von Feststoffen weitestgehend befreite Rauchgas gelangt in den zweiten Wärmetauscher 7 und wird dort gekühlt. Das bei der Kühlung im Wärmetauscher 7 an­ fallende Wasser kann aus diesem dann abgezogen wer­ den.
Dem Wärmetauscher 7 kann ein Abhitzekessel 14 vorge­ schaltet sein, um die anfallende Abwärme des Rauchga­ ses weiter zu nutzen.
Dem Wärmetauscher 7 kann ein zusätzlicher Entstauber 15 nachgeschaltet sein, mit dem im Rauchgas enthalte­ ne feine Stäube entzogen werden, um den in der Rauch­ gasrückführung verwendeten Verdichter 16 weitestge­ hend vor Verschleiß zu schützen.
Die dem Rauchgas mit dem Wärmetauscher 7 entzogene Abwärme kann über das Leitungssystem 8 und 9 einem dritten Wärmetauscher 10 zugeführt werden, der zur Trocknung des Brennstoffes verwendet werden kann.
Mit dem Verdichter 16 kann der Massenstrom an gerei­ nigtem und gekühltem Rauchgas, das in den Reaktor 1 rückgeführt wird, temperaturabhängig gesteuert bzw. geregelt werden.
Über die Leitung 19 kann ein gewisser Anteil an Rauchgas abgezogen werden, das durch die Verbrennung mit reinem Sauerstoff einen sehr hohen Anteil an Koh­ lendioxid aufweist. Dabei können in der Fig. 1 nicht dargestellte Reinigungsstufen vorhanden sein, mit denen Restanteile an Sauerstoff, Kohlenmonoxid und gegebenenfalls Schwefeldioxid entfernt werden können und nahezu reines Kohlendioxid für andere Verwendun­ gen zur Verfügung gestellt werden kann.
Bei diesem Beispiel ist auf die Darstellung von ande­ ren Einrichtungen zur Temperaturbeeinflussung im Re­ aktor 1, wie z. B. einer möglichen Wassereindüsung, verzichtet worden.

Claims (15)

1. Verfahren zur Verbrennung von Holz und/oder Bio­ massen in einem Reaktor mit einer zirkulierenden Wirbelschicht mit reinem Sauerstoff, bei dem, aus dem bei der Verbrennung gebildeten Rauchgas in einer Rauchgasrückführung die mitgeführten Feststoffe separiert und die separierten Fest­ stoffe und das gereinigte Rauchgas in Wärmetau­ schern (5, 7) abgekühlt und in den Wirbel­ schichttreaktor (1) rückgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit geringem Sauerstoffüberschuß betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlte, rück­ geführte Menge an Rauchgas so eingestellt wird, daß in der zirkulierenden Wirbelschicht eine Temperatur von 1000°C nicht überschritten wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von zugeführtem Sauerstoff und rückgeführtem Rauch­ gas annähernd bei 1 : 2 bis 1 : 3 gehalten wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die separierten Feststoffe über einen Siphon in die zirkulieren­ de Wirbelschicht rückgeführt werden.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rauchgasrück­ führung im Rauchgas enthaltender Sauerstoff che­ misch entfernt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Rauchgas enthal­ tener Feinstaub gesondert separiert wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß reines Kohlendioxid aus dem Rauchgas abgezogen wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme der Rauchgas- und/oder Feststoffkühlung zur Trock­ nung des zu verbrennenden Brennstoffes genutzt wird.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überhitzung in der zirkulierenden Wirbelschicht Wasser zuge­ führt wird.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Holz mit einer Kör­ nung < 50 mm zugeführt wird.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zirkulierende Wirbelschicht mit Sand als Inertmaterial in ei­ ner mittleren Körnung < 1 mm ausgebildet wird.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß in einen Reaktor (1), in dem eine zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist, über einen Eintrag (2) Brenn­ stoff und eine Leitung (3) ein Gemisch aus Sau­ erstoff und gekühltem Rauchgas zuführbar sind;
in einer Rauchgasrückführung, ein Feststoffab­ scheider (4) mit nachfolgend angeordnetem ersten Wärmetauscher (5) zur Kühlung der Feststoffe und eine Feststoffrückführung (6);
und ein zweiter Wärmetauscher (7) zur Kühlung des Rauchgases angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Wärmetauscher (5, 7) über Leitungen (8, 9) mit einem dritten Wärmetauscher (10) zur Trocknung des Brennstoffes verbunden ist/sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffab­ scheider (4) ein Zyklon ist.
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