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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trocknung und Torrefizierung von Biomasse unter Nutzung der Abwärme eines Kraftwerks nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die Erzeugung von Energie durch die Verbrennung von Biomasse wird als besonders umweltfreundlich betrachtet. Daher gibt es Bestrebungen, eine größere Menge an Biomasse mit fossilen Brennstoffen gemeinsam zu verwerten. Dazu wird Biomasse getrocknet und torrefiziert, sodass sie dem Brennstoff Kohle ähnlicher wird, d.h. der spezifische Brennwert steigt, die Neigung Feuchtigkeit aufzunehmen sinkt und eine Zermahlung für die Staubfeuerung benötigt einen kleineren Energieeintrag. Neben diesen Aspekten lassen sich torrefizierte Materialien, insbesondere Holz, in Großkraftwerken deutlich besser verbrennen, da sich der Flammpunkt dem der Kohle annähert und somit die Steuerung einer Brennkammer im Zuge der großindustriellen Verbrennung erleichtert wird. Daneben weisen torrefizierte Materialien ein deutlich geringeres Gewicht auf und lassen sich nach der Torrefizierung kostengünstiger transportieren und manipulieren. Die Verpressung torrefizierter Biomasse zu Pellets, insbesondere für einen vereinfachten Transport, ist ebenfalls mit geringerem Energieaufwand verbunden.
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Diese Vorteile müssen durch einen erheblichen energetischen und wirtschaftlichen Aufwand für die genannten Verfahrensschritte erkauft werden.
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Die Erfindung betrifft eine thermische Vorbehandlung, Torrefizierung genannt, von kohlen- und wasserstoffhaltigen festen Brennstoffen, die auch in pastöser oder zähfließender Form vorliegen können. Unter Torrefizierung versteht man eine milde thermische Behandlung von Brennstoffen unter Sauerstoffabschluss oder bei geringen Sauerstoffgehalten bei Temperaturen von 220°C bis 350°C. Die notwendige Verweilzeit um eine vollständige Torrefizierung des Brennstoffs zu erreichen, liegt zwischen 15 und 120 Minuten. Die Verweilzeit wird bestimmt durch den Brennstoff selbst, die Partikelgröße des Brennstoffs und der Wärmeübertragungscharakteristik des Verfahrens.
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Es ist bekannt, dass die Biomasse vor der Torrefizierung getrocknet wird. Verschiedenste Verfahren und Vorrichtungen zum Trocknen sind hinreichend bekannt und lassen sich auch bei der Trocknung von fester Biomasse anwenden, z.B. sind Band- und Trommeltrockner seit vielen Jahren in der Holzindustrie im Einsatz. Es ist weiterhin üblich, das zu trocknende Material vor der Trocknung auf eine geeignete Stückgröße zu zerkleinern. Der Torrefizierung kann eine Kühleinrichtung und/oder eine Zerkleinerung der Biomasse nachgeschaltet sein. Die mögliche abschließende Pelletierung für einen einfacheren und billigeren Transport ist ebenfalls ein bekanntes Verfahren und kommt bereits für den Brennstoff Holz oder die Futtermittelindustrie zum Einsatz.
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Durch die grundsätzliche Ähnlichkeit der Verfahren Trocknung und Torrefizierung liegt es nahe, ein bekanntes Trocknungsverfahren derart abzuwandeln, dass es sich für die Torrefizierung eignet. Im Besonderen muss dafür Sorge getragen werden, dass die Torrefizierung bei nahezu inerter Atmosphäre stattfindet. Der Fachmann wird übliche Dichtungslösungen finden, um Luft aus der Umgebung vom eigentlichen Prozess fern zu halten. So gibt es bereits bekannte Verfahren, denen z.B. das Prinzip des Trommeltrockners, des Etagenofens oder des Wirbelschichtbettes zugrunde liegen. Die Beheizung kann direkt durch Heißgase oder indirekt über eine beheizte Wandung erfolgen. Die Inertisierung erfolgt durch Rauchgase, technische Gase oder Wasserdampf.
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DE 10 2010 036 425 A1 offenbart hierzu eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Trocknung und Torrefizierung von wenigstens einem kohlenstoffhaltigen Stoffstrom in einem Etagenofen. Es ist ein Brenner vorgesehen, der mit einem Auslass der Torrefizierungszone und einem Wärmetauscher in Verbindung steht. Der Wärmetauscher ist außerdem mit einem Einlass der Torrefizierungszone verbunden, wobei ein über den Auslass der Torrefizierungszone abgeführter Torrefizierungs-Gasstrom im Brenner verbrannt und dabei aufgeheizt und im Wärmetauscher zum Aufheizen des Trocknungsgasstrom genutzt und in die Torrefizierungszone zurückgeführt wird. Weiterhin weisen die Trocknungszone und die Torrefizierungszone voneinander getrennte Gaskreisläufe auf. In anderen Worten, die Wärmemenge für die Torrefizierung wird direkt mit derjenigen für die Trocknung gekoppelt. Da die Brennergase durch den Wärmetauscher und in die Torrefizierungszone verlaufen, hat die Regelung der Gasmenge für den Torrefizierungsvorgang einen direkten Einfluss auf die Trocknung. Dies hat den Nachteil, dass die Trocknung und die Torrefizierung nicht unabhängig voneinander gesteuert und betrieben werden können.
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US 8,198,493 B1 betrifft die Herstellung fester, torrefizierter Biomasseendprodukte mit getrennten Vorrichtungen zur Trocknung und zur Torrefizierung. Das Gas nach der Torrefizierung wird teilweise zu einem Brenner und teilweise zu einer Vorrichtung zur Trocknung geleitet. Die Vorrichtung ermöglicht aber nur eine unvollständige Trocknung auf eine Restfeuchte von 2 bis 4%.
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EP 2 017 325 A2 betrifft die Erzeugung eines gasförmigen Treibstoffs und offenbart getrennte Vorrichtungen zur Trocknung und zur Torrefizierung, eine Zerkleinerungsanlage und die Anbindung an einen Brenner zur Vergasung und einen Wärmetauscher zur Nutzung der Abwärme des Brenners beim Trockner.
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Diese oben genannten Verfahren und Anlagen des Standes der Technik erfordern aber einen erheblichen Energieaufwand, der dem eigentlichen Ziel der Verbrennung von Biomasse, nämlich dem Umweltschutz, entgegenläuft. Auch sind angesichts der heutigen Rohstoff- und Energiekosten derartige Anlagen nicht kostenneutral oder gewinnbringend betreibbar.
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Insbesondere die Verfahrensschritte Trocknung und Torrefizierung sind sehr energieaufwendig. Dieser Energieaufwand überschreitet oft die Wirtschaftlichkeitsgrenze. Der Schlüssel für eine wirtschaftliche Verfahrensweise liegt in der Ausnutzung von bisher ungenutzter Abwärme und der darin vorhandenen Energie, z.B. von einem Kraftwerk mit Hochtemperaturbereichen wie Gas-, Öl- oder Kernkraftwerken mit zumindest einem Dampfbereich oder Dampfkessel, insbesondere zum Betreiben einer Turbine zur Produktion von elektrischer Energie. Aber auch die dezentralisierte Anordnung von Blockheizkraftwerken oder Biomassekraftwerken in Städten oder die in der produzierenden Industrie mittlerweile immer mehr gewünschten Energieanlagen zur abgestimmten Energieversorgung von eng begrenzten und damit autarken Industrieanlagen sind hier eine Möglichkeit, die vorliegende Erfindung umweltschonend und energiesparend anzuwenden.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die technische Aufgabe, eine Vorrichtung zur Trocknung und Torrefizierung von Biomasse zu schaffen, mit der dabei die Abwärme aus einem Kraftwerk, vorzugsweise aufweisend einen Dampfkessel, sinnvoll für die Torrefizierung von Biomasse verwendet werden kann, um den Energieaufwand und damit die Kosten deutlich zu senken.
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Die Lösung für die Vorrichtung umfasst:
eine Trocknungsvorrichtung zur Trocknung der Biomasse zu einer getrockneten Biomasse; eine Mischkammer für eine Konditionierungsvorrichtung, um Rauchgas aus dem Dampfkessel und/oder aus der Turbine des Kraftwerks zu einem Konditionierungsgas einer Temperatur von ungefähr 200°C zu vermischen; die Konditionierungsvorrichtung zur Konditionierung der getrockneten Biomasse zu einer konditionierten Biomasse; eine Mischkammer für eine Torrefizierungsvorrichtung, um Rauchgas aus dem Dampfkessel und/oder aus der Turbine und/oder aus einer Brennkammer des Kraftwerks zu einem Torrefiziergas einer Temperatur zwischen ungefähr 300 und 400°C zu vermischen und die Torrefizierungsvorrichtung zur Torrefizierung der konditionierten Biomasse zu einer torrefizierten Biomasse.
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Ein typisches Kraftwerk oder Energieanlagen umfasst die Komponenten Brennkammer, Dampfkessel, Turbine und E-Filter. Konventionelle Kraftwerke vernichten bei der Erzeugung von Elektrizität große Restwärmemengen in z.B. Kühltürmen, falls sie nicht an ein Fernwärmenetz angeschlossen sind. Im Gegensatz dazu werden die Restwärmemengen nun bestmöglich ausgenutzt. Der hier beispielhaft genannte E-Filter steht dabei stellvertretend für die Filtrierung und Säuberung von in die Umwelt abzugebenden Stoffströmen, insbesondere Gasen, zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten und Umweltschutzbestimmungen.
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Unter Biomasse versteht die Erfindung im Wesentlichen pflanzliche und/oder auf Holz basierende Materialien, wie sie in der Land-, Forst- und Waldwirtschaft in produktiver aber auch abfalltechnischer Hinsicht regulär anfallen. Insbesondere soll torrefizierbares Material als Biomasse verwendet werden, dass in einem nicht näher beschriebenen nachfolgenden Prozess optimal energetisch verwertet werden kann und insbesondere hierzu zum Transport pelletiert werden kann. Aber auch andere Biomasse oder Mischstoffe, beispielsweise Abfallchargen oder dergleichen, sind möglicherweise zur Torrefizierung geeignet.
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Die Biomasse wird in der Regel mit einer Feuchtigkeit von 30–100% angeliefert, getrocknet, konditioniert und torrefiziert. Unter Konditionierung wird ein Trocknungsschritt verstanden, bei dem die Biomasse auf eine Restfeuchte von 0 bis 2% und bevorzugt 0 bis 0,5% getrocknet wird. Dabei kann auf eine Temperatur T12 von 100 bis 200°C, bevorzugt 150°C eingestellt werden. Die Temperatur soll dabei niedrig gehalten werden, sodass keine Geruchsstoffe oder Teere frei werden und die Abluft belasten. Ein Teil der Abluft kann über einen Filter ins Freie geleitet werden. Für die Konditionierung wird in einer Mischkammer Rauchgas aus einem Dampfkessel und/oder aus einer Turbine gemischt und so auf eine für die Konditionierung geeignete Temperatur T9 von ungefähr 200°C gebracht.
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Bei der Torrefizierung wird die benötigte Inertisierung durch die Rauchgase des Kraftwerks gewährleistet. Da die Temperatur T4 des kalten Rauchgases aus dem Dampfkessel für das Torrefizieren nicht ausreichen könnte, wird zusätzlich in einer weiteren Mischkammer aus dem Dampfkessel warmes Rauchgas mit der Temperatur T2 ausgekoppelt und zugemischt. Die Temperatur T2 liegt zwischen ungefähr 300 und 350°C, und die Temperatur T4 liegt zwischen ungefähr 160 und 180°C.
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Alternativ kann das Rauchgas zum Torrefizieren aber auch durch Mischung der Rauchgase aus dem Dampfkessel und/oder aus der Turbine erzeugt werden. Auch eine möglicherweise nur minimale Zumischung von Heißgasen aus der Brennkammer mit einer Temperatur T1 von ca. 900 bis 950°C ist möglich, wenn eine höhere Temperatur als die Temperatur T2 zwischen ungefähr 300 und 350°C benötigt wird, wie z.B. 400°C.
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Weiter alternativ kann das Rauchgas zum Torrefizieren auch aus einem Luftvorwärmer des Kraftwerks entnommen bzw. gemischt werden. Für die Luftvorwärmung werden üblicherweise die Rauchgase aus dem Dampfkessel nach der Dampferzeugung mit der Temperatur T2 verwendet. Die Luftvorwärmung in Brennkammern von Energieanlagen oder Kraftwerken dient in der Regel dazu, um eine feinere Einstellung der Verbrennung respektive der Verbrennungstemperaturen oberhalb eines Feuerungsrostes oder einer Staubverfeuerung zu bewerkstelligen.
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Vor dem Konditionieren kann die Biomasse in einer Trocknungsvorrichtung mithilfe von Abdampf aus der Turbine und/oder mithilfe von Rauchgas aus dem Dampfkessel auf eine Feuchte von 5 bis 30%, bevorzugt 7 bis 20% und weiter bevorzugt 8 bis 15% getrocknet werden.
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Durch eine bevorzugte Trennung der Trocknung, Konditionierung und Torrefizierung wird eine Vermischung der bei der Trocknung freiwerdenden Wasserdämpfe aus der Biomasse mit den bei der Torrefizierung frei werdenden Torrgasen verhindert. In vorteilhafter Weise können die getrennten Abgase wieder gezielt einer weiteren Verwendung zugeführt werden, um den energetischen Gesamtprozess zu optimieren.
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Die Torrgase zusammen mit dem Rauchgas aus der Torrefizierung mit einer Temperatur von ca. 160°C können der Verbrennung im Kraftwerk zugeführt und thermisch verwertet werden.
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Bevor die torrefizierte Biomasse der frischen Luft ausgesetzt wird, sollte sie in einer Kühlvorrichtung auf unter 200°C abgekühlt werden. Dazu können Rauchgase aus der Konditionierungsvorrichtung benutzt werden, die während der Kühlung mit Resttorrgasen kontaminiert werden können. Die Temperatur liegt bei ungefähr 150 bis 250°C. Es kann auch der Abdampf aus der Turbine mit der Temperatur T3 und/oder die Trocknerabluft mit der Temperatur T8 aus der Trocknungsvorrichtung verwendet werden. Die Temperatur T3 liegt zwischen ungefähr 80 und 150°C, und die Temperatur T8 liegt zwischen ungefähr 40 und 70°C. Nach Kühlung der Biomasse kann die Abluft aus der Kühlvorrichtung der Verbrennung zugeführt werden. Alternativ kann die Abluft auch dem E-Filter zugeführt werden. Wenn die Abluft aus der Kühlvorrichtung trocken ist, also beispielsweise statt aus der Konditionierungsvorrichtung aus der Turbine kommt, dann kann die Abluft auch der Mischkammer vor der Torrefizierung oder direkt der Torrefizierungsvorrichtung zugeführt werden. Im diesem Fall sollte das entstehende niedrige Temperaturniveau durch einen höheren Anteil an Rauchgasen mit der Temperatur T2 kompensiert werden.
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Bevorzugt weist die Vorrichtung Rückleitungen auf, die die Abwärme der einzelnen Stufen der Vorrichtung wirtschaftlich nutzt. Die Rückleitungen sind vorzugsweise doppelwandig ausgebildet, sodass z.B. innen kühlere und außen heißere Gase verlaufen. Der Hintergrund für doppelwandige Rückleitungen liegt darin, dass in den Fluidströmungen eine Kondensation während des Fluidtransports vermieden werden muss, welche auftritt, wenn die Fluide zu stark abkühlen. Es können sich somit Teer oder andere Stoffe ablagern. So kann die Vorrichtung im Bereich Rückleitungen weiterhin umfassen: eine Rückleitung zum Transport von Rauch- und Torrgas von der Torrefizierungsvorrichtung an die Brennkammer, eine Rückleitung zum Transport von Rauchgas von der Kühlvorrichtung an die Brennkammer und/oder den E-Filter und/oder die Mischkammer zur Torrefizierung und/oder die Torrefizierungsvorrichtung, eine Rückleitung zum Transport von Kondensat von der Trocknungsvorrichtung zu dem Dampfkessel, eine Rückleitung zum Transport von Rauchgas von der Konditionierungsvorrichtung an die Kühlvorrichtung usw. Eine weitere Energieeinsparung ist unter Verwendung eines indirekt beheizten Trommeltrockners möglich, indem die trockenen Abgase der Temperatur T8 aus der Trocknungsvorrichtung zur Kühlung der torrefizierten Biomasse verwendet werden. Die Mischkammern müssen keine eigenständigen Apparate und Vorrichtungen sein, sondern können auch eine technisch verwirklichte Funktion im Gaseinlassbereich der Konditionierungsvorrichtung oder der Torrefizierungsvorrichtung sein.
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Abschließend kann eine Pelletierung oder eine Vergasung folgen. Bei der Pelletierung zeigt sich der positive Effekt, dass die kalten Rauchgase zur Inertisierung und damit zur Explosionssicherheit beitragen können. Die Vorrichtung kann auch eine, insbesondere prallende, Zerkleinerungsvorrichtung umfassen.
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Zusammenfassend zeigt die Erfindung in vorteilhafter Weise, dass die Anordnung der einzelnen Mischkammern vor der Konditionierung und vor der Torrefizierung eine wirtschaftliche und vorteilhafte Regelungs- und Steuerungssituation schafft, in der jegliche Abwärme aus einem Kraftwerk in sinnvoller Weise genutzt werden kann, um einen Torrefizierungsvorgang und auch die vor- und nachfolgenden Prozesse (Trocknung, Konditionierung und Kühlung) energetisch sinnvoll zu gestalten und Wärme aufgrund des mehrfach gestuften Prozesses wiederholt in den Prozess einzuführen und wiederzuverwenden.
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Insbesondere kann die im Energieniveau geringer angeordnete Abwärme dazu benutzt werden, in optimaler Weise die in Menge und Energieniveau schwankende Abwärme hohen Energieniveaus durch den einem normalen Kraftwerksbetrieb zugrundeliegenden Schwankungen (aufgrund des wechselnden Bedarfs) anzupassen, um genug Energie für einen gleichförmigen Torrefizierungsprozess bereitzustellen.
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Die vorgeschlagenen Temperaturwerte weisen eine besonders günstige Kombination oder Abfolge aus, die einen besonders wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht.
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In weiteren Vorteilen ergibt es sich, dass durch den mehrstufigen Torrefizierungsprozess, insbesondere durch die Verwendung einer Konditionierungsvorrichtung, es auch möglich ist, die Biomasse derart zu konditionieren, dass unkontrollierte Schwankungen der Eingangsgröße Feuchtigkeit durch Feuchtigkeitsunterschiede in der zu torrefizierenden Biomasse in der Torrefizierungsvorrichtung vermieden werden, wie sie normalerweise aus einer Trocknungsvorrichtung auftreten. Gleichzeitig wird ermöglicht, dass eine Untertrocknung und der damit einhergehende verlustbehaftete Energieaufwand vermieden werden.
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In vorteilhafter Weise ist es nun möglich eine kontrollierte Trocknung mit anschließender einheitlicher Konditionierung durchzuführen, wobei es vermieden wird, dass der in der Trocknung entstehende Wasserdampf im Torrefizierungsprozess verbleibt. Die Trocknung vereinheitlicht auch die Feuchte im Material ohne wesentlich in die chemische Struktur des Materials einzugreifen, wonach anschließend die Konditionierung die getrocknete Biomasse auf ein Temperaturniveau von 200°C kontrolliert anheben kann, ohne dass Wärmenester entstehen und unkontrollierte exotherme Reaktionen eintreten. Die Konditionierung kann somit auch als Einleitungs- oder Vorbereitungsphase zur Torrefizierung verstanden werden. Somit kann es in vorteilhafter Weise vermieden werden, dass die in den bisherigen Trocknungs- und Torrefizierungsanlagen vorkommenden Ereignisse, wie dass ein Teil der Biomasse bereits in die exotherme Reaktion eintritt, während anderes, naheliegendes Material noch nicht einmal vollständig getrocknet ist, vermieden werden können.
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Durch die Aufteilung auf drei Stufen, Vortrocknung, Konditionierung, Torrefizierung ist es nun möglich, kontrolliert eine Trocknung durchzuführen, nachfolgend eine kontrollierte Temperaturerhöhung auf ca. 200°C als Konditionierung für die gesamte Biomasse durchzuführen und sicherzustellen und anschließend wiederum kontrolliert eine Erhöhung der Temperatur bis zur vollständigen Torrefizierung durchzuführen. In vorteilhafter Weise unterstützen die Mischkammern durch die vereinfachte Regelung der Prozessgase die Steuerung des Gesamtprozesses und damit den Erfolg der Torrefizierung.
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In bevorzugter Weise sind die Mischkammer für die Konditionierungsvorrichtung und die Mischkammer für die Torrefizierungsvorrichtung voneinander beabstandet und unabhängig voneinander betreibbar. Auch die Trocknungsvorrichtung, die Konditionierungsvorrichtung und/oder die Torrefizierungsvorrichtung können voneinander beabstandet und unabhängig voneinander betreibbar sein.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung mit der Zeichnung hervor.
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Die in der Figurenbeschreibung dargestellten Kombinationsmöglichkeiten sind alle für sich alleine und eigenständig und in jeglicher Kombination verwertbar.
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Insbesondere sind einzelne Sätze auch als eigenständige Merkmale zu bewerten.
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Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Trocknung und Torrefizierung von Biomasse in Verbindung mit einem Kraftwerk,
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2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit besonderem Schwerpunkt auf der Kühlvorrichtung, und
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3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit besonderem Schwerpunkt auf den Mischkammern.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren im Detail erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Trocknung, Konditionierung und Torrefizierung von Biomasse unter Ausnutzung der Abwärme eines Kraftwerks. Das Kraftwerk umfasst vereinfacht die Komponenten Brennkammer 20, Dampfkessel 21, Turbine 22 und E-Filter 23. Die Vorrichtung erlaubt eine hervorragende Ausnutzung der Restwärmemengen eines typischen Kraftwerks, insbesondere zur Torrefizierung von Biomasse, die insbesondere wiederum in einem oder diesem Kraftwerk verbrannt werden kann. Mit strichlierten Pfeilen sind Stoffströmungen gekennzeichnet, die in der jeweiligen Ausführungsform eine geringere Bedeutung haben und meist nur aus sicherheits- oder regelungstechnischen Gründen benötigt werden.
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Aus der Brennkammer 20 wird ein Verbrennungsgas 1 mit einer Temperatur T1 zum Dampfkessel 21 geleitet. Die Temperatur T1 des Verbrennungsgases 1 liegt bei ungefähr 950°C. Wie später genauer beschrieben wird, kann der Brennkammer 20 Rauchgas 10 mit einer Temperatur T10 aus einer Kühlungsvorrichtung 27 und/oder Rauch- und Torrgas 6 mit einer Temperatur T6 aus einer Torrefizierungsvorrichtung 29 zugeleitet werden. Die Temperatur T10 liegt bei ungefähr 150°C und die Temperatur T6 liegt bei ungefähr 160°C.
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Im reinen Kraftwerksbetrieb wird aus dem Dampfkessel 21 kaltes Rauchgas 4 mit einer Temperatur T4 zum E-Filter 23 geleitet. Die Temperatur T4 liegt zwischen ungefähr 160 und 180°C. Aus dem E-Filter 23 wird Abluft 11 mit einer Temperatur T11 über z.B. einen Kamin an die Umgebung abgegeben.
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Das kalte Rauchgas 4 mit der Temperatur T4 aus dem Dampfkessel 21 kann alternativ oder zusätzlich als Rauchgas 4 zu einer Trocknungsvorrichtung 24 für die Biomasse geleitet werden. Die Trocknungsvorrichtung 24 kann ein Bandtrockner, ein direkter oder indirekter Trommeltrockner oder dergleichen sein und die Biomasse B kann in der Form von feuchten Spänen vorliegen. Aus dem Dampfkessel 21 wird im regulären Kraftwerksbetrieb in der Regel Frischdampf FD zur Turbine 22 zur Stromerzeugung geleitet. Aus dem Dampfkessel 21 wird weiterhin warmes Rauchgas 2 mit einer Temperatur T2 und kaltes Rauchgas 4 mit einer Temperatur T4 zu zwei Mischkammern 25, 26 zur Konditionierung und/oder zur Torrefizierung, respektive zur jeweiligen Konditionierungsvorrichtung 28 und/oder zur Torrefizierungsvorrichtung 29 geleitet. In der Mischkammer 25 zur Konditionierung und in der Mischkammer 26 zur Torrefizierung wird jeweils das Rauchgas 2/4 auf die gewünschten Temperaturen T9/T7 zum Konditionieren und zum Torrefizieren eingestellt. Die Temperatur T2 liegt zwischen ungefähr 300 und 350°C. Dem Dampfkessel 21 wird weiterhin das Kondensat K aus der Trocknungsvorrichtung 24, insbesondere zur Kühlung oder Dampferzeugung, zugeleitet.
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Aus der Turbine 22 wird Abdampf 3 mit einer Temperatur T3 zu der Trocknungsvorrichtung 24 geleitet und dort kondensiert. Die Temperatur T3 liegt zwischen ungefähr 80 und 150°C.
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Die Trocknungsvorrichtung 24 in der Form eines Bandtrockners nimmt Biomasse B in der Form feuchter Späne, Frischluft F, Abdampf 3 von der Turbine 22 mit der Temperatur T3 und/oder kaltes Rauchgas 4 vom Dampfkessel 21 mit der Temperatur T4 auf. Die Temperatur T4 liegt zwischen ungefähr 160 und 180°C, die Temperatur T3 liegt zwischen ungefähr 80 und 150°C. Der Abdampf 3 von der Turbine 22 kondensiert in der Trocknungsvorrichtung 24 und gibt so die zur Trocknung der Biomasse B benötigte Energie an die Frischluft F ab. Nach dem Trocknen gibt die Trocknungsvorrichtung 24 seine Trocknerablauft 8 mit einer Temperatur T8 an die Umgebung und Biomasse B1 vorzugsweise in der Form trockener Späne an eine Konditionierungsvorrichtung 28 ab. Die Temperatur T8 liegt zwischen ungefähr 40 und 70°C.
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In der Mischkammer zur Konditionierung 28 wird aus dem Rauchgas 2/4 aus dem Dampfkessel 21 das Mischgas 9 mit der gewünschten Temperatur T9 für die Konditionierung hergestellt. Die Temperatur T9 liegt bei ungefähr 200°C. Dazu wird z.B. warmes Rauchgas 2 aus dem Dampfkessel mit einer Temperatur T2 und kaltes Rauchgas 4 aus dem Dampfkessel mit einer Temperatur T4 gemischt. Die Temperatur T2 liegt zwischen ungefähr 300 und 350°C, und die Temperatur T4 liegt zwischen ungefähr 160 und 180°C.
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Die Konditionierungsvorrichtung 28 nimmt die trockene Biomasse B1 von der Trocknungsvorrichtung 24 und Rauchgas 9 mit der Temperatur T9 von der Mischkammer 25 zur Konditionierung auf. Die Temperatur T9 liegt bei ungefähr 200°C. Nach der Konditionierung gibt die Konditionierungsvorrichtung 28 konditionierte Biomasse B2 an die Torrefizierungsvorrichtung 29 und Rauchgas 5 mit der Temperatur T5 an eine Kühlvorrichtung 27 ab. Die Temperatur T5 liegt bei ungefähr 150 bis 250°C.
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In der Mischkammer 26 zur Torrefizierung wird das Rauchgas 2/4 aus dem Dampfkessel 21 auf die gewünschte Temperatur T7 für die Torrefizierung eingestellt und als Torrefizierungsgas 7 mit einer Temperatur T7 zwischen ungefähr 300 und 350°C an die Torrefizierungsvorrichtung 29 weitergegeben. Dazu wird z.B. warmes Rauchgas 2 aus dem Dampfkessel 21 mit einer Temperatur T2 und kaltes Rauchgas 4 aus dem Dampfkessel 21 mit einer Temperatur T4 gemischt. Die Temperatur T2 liegt zwischen ungefähr 300 und 350°C, und die Temperatur T4 liegt zwischen ungefähr 160 und 180°C. Um im Torrefizierungsprozess, falls notwendig, kühlen zu können, kann das kalte Rauchgas 4 mit der Temperatur T4 mehr oder weniger alleine in die Mischkammer 26 und in die Torrefizierungsvorrichtung 29 geleitet werden. Der Zulauf des warmen Rauchgases 2 aus dem Dampfkessel 21 mit der Temperatur T2 kann dann mehr oder weniger abgesperrt werden. Dies kann z.B. notwendig sein, um den exothermen Prozess zu unterbinden oder eine Überhitzung in der Torrefizierungsvorrichtung 29 zu vermeiden.
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Die Torrefizierungsvorrichtung 29 nimmt die konditionierte Biomasse B2 von der Konditionierungsvorrichtung 28 und Torrefizierungsgas 7 mit der Temperatur T7 von der Mischkammer 26 zur Torrefizierung auf. Die Temperatur T7 liegt zwischen ungefähr 300 und 400°C. Nach der Torrefizierung gibt die Torrefizierungsvorrichtung 29 torrefizierte Biomasse B3 an die Kühlvorrichtung 27 und Rauch- und Torrgas 6 mit einer Temperatur T6 an die Brennkammer 20 ab. Die Temperatur T6 liegt bei ungefähr 160°C.
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Durch eine solche Trennung der Verfahren Trocknung, Konditionierung und Torrefizierung wird eine Vermischung der bei der Trocknung freiwerdenden Wasserdämpfe mit den bei der Torrefizierung frei werdenden Torrgasen verhindert. Die Rauch- und Torrgase 6 aus der Torrefizierung mit der Temperatur T6 von ca. 160°C können daher der Verbrennung im Kraftwerk zugeführt und effektiv thermisch verwertet werden.
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Die Kühlvorrichtung 27 nimmt die torrefizierte Biomasse B3 von der Torrefizierungsvorrichtung 29 und Rauchgas 5 mit der Temperatur T5 von der Konditionierungsvorrichtung 28 auf. Die Temperatur T5 liegt bei ungefähr 150–250°C. Nach der Kühlung gibt die Kühlvorrichtung 27 trockene und gekühlte Biomasse B4 ab und feuchtes Rauchgas mit der Temperatur T10 an den E-Filter 23 ab. Die Temperatur T10 liegt bei ungefähr 150°C.
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2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit besonderem Schwerpunkt auf der Kühlvorrichtung 27. Die gezeigte Kühlvorrichtung 27 nimmt die torrefizierte Biomasse B3 von der Torrefizierungsvorrichtung 29 und anstatt dem Rauchgas 5 mit der Temperatur T5 von der Konditionierungsvorrichtung 28 den Abdampf 3 mit der Temperatur T3 von der Turbine 22 und/oder die trockenen Abgase der Temperatur T8 aus einer indirekt beheizten Trocknungsvorrichtung 24, bspw. einem Trommeltrockner, auf. Die Temperatur T3 liegt zwischen ungefähr 80 und 150°C und die Temperatur T8 liegt zwischen ungefähr 40 und 70°C.
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Nach der Kühlung gibt die Kühlvorrichtung 27 trockene und gekühlte Biomasse B4 und Rauchgas 10 mit der Temperatur T10 an die Brennkammer ab. Die Temperatur T10 liegt bei ungefähr 150°C. Da die Gase aus der Kühlvorrichtung 27 trocken sind, da sie statt aus der Konditionierungsvorrichtung 28 aus der Turbine 22 oder einer indirekten durchgeführten Trocknung aus der Trocknungsvorrichtung 24 kommen, können diese auch der Mischkammer 26 vor der Torrefizierungsvorrichtung 29 oder direkt der Torrefizierungsvorrichtung 29 zugeführt werden.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit besonderem Schwerpunkt auf den Mischkammern 25, 26. Vorzugsweise nehmen beide Mischkammern 25, 26, vorzugsweise zusätzlich zu den Rauchgasen 24 der Temperaturen T2 und T4 aus dem Dampfkessel 21, auch den Abdampf 3 mit der Temperatur T3 aus der Turbine auf. Die Temperatur T2 liegt zwischen ungefähr 300 und 350°C, die Temperatur T4 liegt zwischen ungefähr 160 und 180°C, und die Temperatur T3 liegt zwischen ungefähr 80 und 150°C. Wenn z.B. eine Temperatur höher als die Temperatur T2 zwischen ungefähr 300 und 350°C benötigt wird, kann die Mischkammer 26 zur Torrefizierung zusätzlich das Verbrennungsgas mit der Temperatur T1 aus der Brennkammer aufnehmen. Die Temperatur T1 liegt bei 950°C.
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Die Figuren zeigen, dass die Vorrichtung eine Reihe von Rückleitungen aufweisen kann, die die Abwärme der einzelnen Stufen der Vorrichtung und des Kraftwerks wirtschaftlich nutzt. Die Rückleitungen sind vorzugsweise doppelwandig ausgebildet, sodass z.B. innen kühlere und außen heißere Gase verlaufen (oder anders herum). So kann die Vorrichtung umfassen: eine Rückleitung zum Transport von Rauch- und Torrgas 6 von der Torrefizierungsvorrichtung an die Brennkammer 20, eine Rückleitung zum Transport von Rauchgas 10 von der Kühlvorrichtung 27 an die Brennkammer 20 (nur bei indirekter Trocknung) und/oder den E-Filter 21 und/oder die Mischkammer 26 zur Torrefizierung und/oder die Torrefizierungsvorrichtung 29, eine Rückleitung zum Transport von Kondensat K von der Trocknungsvorrichtung 24 zu dem Dampfkessel 21, eine Rückleitung zum Transport von Rauchgas 5 von der Konditionierungsvorrichtung 28 an die Kühlvorrichtung 27 usw. Sämtliche Ausführungsformen und Alternativen können gemäß dem Fachwissen des Fachmanns miteinander kombiniert werden. Sämtliche Temperaturangaben sind Näherungswerte und hängen von äußeren Umständen und z.B. dem Kraftwerk ab.
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Bezugszeichenliste
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- K
- Kondensat
- B
- Biomasse
- B1
- Biomasse trocken
- B2
- Biomasse konditioniert
- B3
- Biomasse torrefiziert
- B4
- Biomasse trocken
- F
- Frischluft
- FD
- Frischdampf
- T1
- Temperatur
- T2
- Temperatur
- T3
- Temperatur
- T4
- Temperatur
- T5
- Temperatur
- T6
- Temperatur
- T7
- Temperatur
- T8
- Temperatur
- T9
- Temperatur
- T10
- Temperatur
- T11
- Temperatur
- 1
- Verbrennungsgas 950°C
- 2
- Rauchgas 300–350°C
- 3
- Abdampf 80–150°C
- 4
- Rauchgas 160–180°C
- 5
- Rauchgas 150–250°C
- 6
- Rauch- und Torrgas 160°C
- 7
- Torrefizierungsgas 300–350°C
- 8
- Trocknerabluft 40–70°C
- 9
- Konditionierungsgas 200°C
- 10
- Rauchgas 150°C
- 11
- Abluft 160°C
- 20
- Brennkammer
- 21
- Dampfkessel
- 22
- Turbine
- 23
- E-Filter
- 24
- Trocknungsvorrichtung
- 25
- Mischkammer Konditionierung
- 26
- Mischkammer Torrefizierung
- 27
- Kühlvorrichtung
- 28
- Konditionierungsvorrichtung
- 29
- Torrefizierungsvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010036425 A1 [0007]
- US 8198493 B1 [0008]
- EP 2017325 A2 [0009]
