DE4440603A1 - Verfahren und Vorrichtung zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe, wobei die Rohstoffe wie Holzstaub, Späne, andere nachwachsende Rohstoffe und dergleichen bei Unter­ druck verbrannt werden, gegebenenfalls die Verbrennungsrückstän­ de abgetrennt werden, wobei die bei Temperaturen um 1000°C austretenden Abgase Verunreinigungen in Form von Asche- und Staubpartikeln mitführen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur energeti­ schen Nutzung nachwachsender Rohstoffe mit einer Unterdruck­ brennkammer für Holzstaub, Späne und andere nachwachsende Roh­ stoffe und dergleichen.

Schließlich richtet sich die Erfindung auch auf die Anwendung von Verfahren und Vorrichtung auf Heißgasmaschinen in Form von Stirling-Motoren.

In der Regel wird bei kleineren Heizwerken bis zu einer Feue­ rungswärmeleistung von 1 MW und mehr auf Grund der hohen Inve­ stitionskosten für einen Dampfturbinenprozeß mit komplettem Wasser-Dampf-Kreislauf, Turbogenerator und MSR-Anlage auf die Kraft-Wärme-Kopplung, also eine zusätzliche Stromerzeugung, verzichtet. Auch eine energetische Nutzung des Wärmeinhaltes der Rauchgase in Gasturbinen und Gasmotoren gestaltet sich auf Grund der hohen Investitionskosten in diesem Leistungsbereich nicht wirtschaftlich.

Derzeit erfolgt bei Anlagen in diesem Leistungsbereich meist nur eine Wärmeentbindung für Heiz- und Prozeßzwecke, jedoch keine Stromerzeugung im Rahmen der Kraft-Wärme-Kopplung, bei der we­ sentlich höhere Anlagenwirkungsgrade als bei reiner Stromerzeu­ gung erzielt werden. In der Regel werden Heizwerke mit den fos­ silen Brennstoffen wie Heizöl, Gas oder Kohle beheizt. Diese Brennstoffe sind nicht CO₂-neutral. CO₂ ist ein Gas, das den Treibhauseffekt fördert. Bei Einsatz von biogenen, CO₂-neutralen und gleichzeitiger Substitution von fossilen Brennstoffen wird eine Reduzierung der CO₂-Emissionen in die Atmosphäre erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Verbesserung der Energieausnutzung vergli­ chen mit reiner Stromerzeugung anzugeben und eine Stromerzeugung ab einer elektrischen Leistung von ca. 3 kW zu ermöglichen.

Gelöst wird diese Aufgabe überraschend bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, daß die verschmutzten Abgase hochtemperaturgereinigt werden und in einem Stirling-Motor unter Energieumsetzung Wärme abgeben und einer Abwärmenutzung zugelei­ tet werden.

Vorzugsweise wird die Abwärmenutzung in Form der Stromerzeugung mit Gegendruck- oder Kondensationsbetrieb oder in Form von Heiz- oder Prozeßwärmeversorgung und/oder in Trocknungsanlagen reali­ siert.

Zweckmäßig wird die Hochtemperaturreinigung bzw. Entstaubung über Keramikfilterkerzen an sich bekannter Bauart vorgenommen.

Wegen der hohen Temperaturen eignen sich Gewebefilter nicht mehr. Diese Keramikfilter sind röhrenartig und gehen in eine Art Tasche über. Aus diesen Filtern tritt das Rauchgas gereinigt aus.

Benutzt werden können neuartige Filterelemente, die aus kerami­ schen Fasern bestehen und mit anorganischen Armierungen versehen sind. Dauereinsatztemperaturen bis mindestens 900°C können nach bisheriger Erfahrung zugelassen werden. Das Material ist nicht brennbar. Die Abdichtung zwischen Roh- und Reingasseite erfolgt mit Hilfe eines weichen Mineralfilzes, der gleichzeitig die Wärmedehnung der metallischen Kopfplatte bei Temperaturschwan­ kungen kompensiert.

Die Keramikfilter müssen bezogen auf die konstruktive Auslegung in Überzahl vorhanden sein, um die Möglichkeit der Kerzenreini­ gung bzw. des Kerzenaustausches während des Betriebes zu ermög­ lichen.

Bei den Lösungen mit Rauchgas-Luft-Wärmetauschern wird das heiße Rauchgas die durch den Wärmetauscher strömende Luft erhitzen und diese so für die Stromerzeugung im Stirling-Motor nutzbar ma­ chen.

Auch das weitere Ziel, die hohen Investitionskosten, die bei einer Kraft-Wärme-Kopplung mit Dampfbetrieb in diesem Leistungs­ bereich anfallen, zu reduzieren, ist hier erreicht.

Vorteil dieser Betriebsweise mit einem der Biostoff-Feuerungs­ anlage nachgeschalteten Stirling-Motor ist die CO₂-Neutralität, der Wegfall der hohen Investitionskosten für die Stromerzeugung nach dem Clausius-Rankine-Prozeß und eine wirtschaftliche Strom­ erzeugung im kleinen Leistungsbereich.

Die Aufgabe wird im genannten Anwendungsbereich, in dem teilwei­ se der Privatsektor liegt, in hervorragender Weise gelöst, da sich der Stirling-Motor hierzu besonders eignet: Er hat gegen­ über anderen Stromerzeugungsaggregaten nur eine geringe Ge­ räuschentwicklung. Das ungünstige Leistungsgewicht kann gegen­ über Fahrzeugmotoren vernachläßigt werden, da es sich ja um einen stationären Einsatz handelt.

Überraschend kann der Wärmeinhalt der heißen, verschmutzten Rauchgase aus der Biostoff-Verbrennungsanlage ohne Verschmut­ zungsprobleme an den Wärmetauscherflächen im Stirling-Motor nutzbar gemacht werden. Damit wird dem Stirling-Motor ein prak­ tisch sauberes, von Staubpartikeln befreites Arbeitsmedium zur Verfügung gestellt.

Für die Hochtemperaturentstaubung kann ein Heißgaszyklon genauso gut wie Keramikkerzen oder andere Aggregate dienen.

Bei einer anderen Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe werden die Rauchgase gegebenenfalls hochtemperaturent­ staubt, einem Rauchgas-Luft-Wärmetauscher zu einer Abwärmenut­ zung zugeführt und bei niedriger Temperatur gereinigt; im Wärme­ tauscher wird die Luft auf beispielsweise 800°C vorgewärmt und in einem Stirling-Motor unter Energienutzung abgekühlt und einer weiteren Wärmenutzung zugeführt.

Der hier verwendete Stirling-Motor ist eine Heißgasmaschine und kann von der Bauart mit einem Zylinder und geradlinig hin- und hergehenden Kolben sein, wie er auch als thermo-elektrischer Konverter zur Stromerzeugung aus Brenngasen angeboten wird.

Durch die Entstaubung der heißen Rauchgase bzw. die Beaufschla­ gung des Stirling-Motors mit dem Arbeitsmedium "Heißluft" werden Verschmutzungen, Abzehrungen und Korrosionen an den Wärmetau­ scherflächen des Stirling-Motors vermieden und höhere Stromer­ zeugungswirkungsgrade bei längeren Reisezeiten bzw. Betriebs­ zeiten erreicht. Die Verfügbarkeit der Anlage wird erhöht. Die Brennstoffe können sowohl pneumatisch in die Brennkammer einge­ blasen werden als auch als Festbrennstoffe zum Einsatz kommen. Bei einer Vorrichtung gemäß der zweiten Lösung, d. h. mit Wärme­ tauscher, kann bei einem dem Stirling-Motor nachgeschalteten Trocknungsprozeß, der für Grünfutter, Nahrungsmittel, Futter­ pflanzen etc. Anwendung finden kann, davon ausgegangen werden, daß bei einer Trocknung mit sauberer Luft keine Anreicherung von Schadstoffen in den Trocknungsgütern geschieht. Die Abluft aus dem Stirling-Motor muß bei dieser Vorrichtung nicht gereinigt werden, die Reinigung der Rauchgase ist nach einer möglichen weiteren Wärmenutzung auf einem niedrigeren Temperaturniveau möglich.

Mit Hilfe der der Brennkammer nachgeschalteten Hochtemperatur­ entstaubung können die Abgase auf einen Staubgehalt - ähnlich wie bei Heizöl-Feuerungen - von weniger als 1 mg/m³ gebracht werden.

Die Aufgabeeinrichtung für die Brennstoffe kann entweder als Einblasfeuerung ausgebildet sein, oder sie kann für Festbrenn­ stoffe als Schubboden, Trichter mit Doppelklappe oder derglei­ chen ausgeführt sein.

Der Stirling-Motor bietet auf ideale Weise die direkte bzw. indirekte Umsetzung der in den Rauchgasen enthaltenen Wärme in elektrische Energie, wobei von den Herstellern der Stirling- Motoren ein Umsetzungsgrad in elektrische Energie von ca. 28%, ähnlich wie bei Diesel- oder Gasmotoren, angegeben wird. Dabei können die aus der Biostoff-Verbrennung kommenden heißen Rauch­ gase von etwa 1000°C über eine Hochtemperaturentstaubung gerei­ nigt werden, oder es wird über einen Rauchgas-Luft-Wärmetauscher Heißluft mit ca. 900°C erzeugt. Die Temperaturspitze von ca. 1000°C der dann staubfreien Rauchgase bzw. Heißluft wird im Stirling-Motor auf etwa 600°C abgebaut.

Die Abwärme mit Temperaturen von ca. 600°C der staubfreien Rauchgase und/oder der Heißluft kann für

• - Heizzwecke wie z. B. Heizwärme Prozeßwärme oder Trocknungs­ anlagen,
• - Kraft-Wärmekopplungsprozesse, wobei elektrischer Strom und Abwärme erzeugt werden,
• - Kondensationsprozesse zur Kondensations-Stromerzeugung

verwendet werden.

Durch diese Verfahrenstechniken bzw. mit den dargestellten Kom­ biprozessen können die Investitionskosten trotz eines sehr hohen Stromausnutzungsgrades und einer Abwärmeverwertung entsprechend gesenkt werden, da

• - der Stirling-Motor in Modulbauweise eingesetzt werden kann,
• - die nachgeschaltete Kraft-Wärmekopplungsanlage oder Konden­ sationsstromerzeugungsanlage in einem Druckbereich von 30 . . . 40 bar und ca. 400°C Überhitzung angesiedelt ist (bei dieser Mitteldruckstufe können die Investitionskosten beachtlich ge­ senkt werden),
• - die Abwärme für Prozeß-, Heiz- oder Trocknungswärme mit staub­ freien Abgasen oder Heißluft noch genutzt werden kann.

Die nachfolgend beschriebenen Verfahrenstechniken der energeti­ schen Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen mit Stirling-Motoren bieten in vieler Hinsicht Vorteile, wie

• - im Rahmen von Kombiprozessen eine optimale Energieerzeugung realisiert werden kann, wobei die Ausbeute des hochwertigen Produktes "elektrischer Strom" maximiert wird;
• - CO₂-neutrale Brennstoffe für die Energieerzeugung verwendet werden;
• - in strukturschwachen bzw. unerschlossenen Gebieten eine Strom­ erzeugung mit einfachen Mitteln realisiert werden kann.

Die Gesamtvorrichtung kommt mit wenigen Vorrichtungsteilen aus. Dazu gehört eine Spänesilo mit geeigneter Austragseinrichtung (bei pneumatisch förderbaren Brennstoffen), ein Bunker bzw. ein Lagerplatz für Festbrennstoffe, eine geeignete Aufgabeeinrich­ tung der Festbrennstoffe in die Brennkammer bzw. einem Späne­ brenner für die Einbringung der pneumatisch förderbaren Brenn­ stoffe, ein nachgeschalteter Rauchgas-Luft-Wärmetauscher und/oder eine nachgeschaltete Hochtemperaturentstaubung und ein Stirling-Motor mit Generator.

Gegenstand der Erfindung ist auch die oben erwähnte Vorrichtung zur energetischen Erzeugung nachwachsender Rohstoffe mit einer Unterdruckbrennkammer für Holzstaub, Späne und andere nachwach­ sende Rohstoffe, die sich auszeichnet durch eine Beaufschlagung des gegebenenfalls mit einem Stromerzeuger verbundenen Stirling- Motor mit sauberen Rauchgasen bzw. mit sauberer Luft, die reali­ siert wird mit einem Rauchgaswärmetauscher oder Keramikfilter­ kerzen; sowie durch eine Abwärmenutzung der sauberen, aus dem Stirling-Motor austretenden Rauchgase, bzw. der Luft.

Die Abwärmenutzung kann beispielsweise in einer Stromerzeugung in Gegendruck- oder Kondensationsturbinen bestehen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, die eine Kraft-Wärme-Kopplung mit Stirling-Motor und Biostoff- Verbrennung jeweils zeigt, nämlich:

Fig. 1: Hochtemperaturentstaubung (in der Darstellung Keramik­ filter) und

Fig. 2: mit einem vorgeschalteten Rauchgas-Luft-Wärmetauscher.

Über eine pneumatische Brennstofförderung 1 oder eine geeignete Aufgabeeinrichtung für Festbrennstoffe 2 werden Holzstaub, Spä­ ne, nachwachsende Rohstoffe etc. einer Brennkammer 10 zugeführt. In der Brennkammer herrscht ein für diese Anlagen typischer Unterdruck von bis zu 1 mm WS. Die Brennkammer wird vorzugsweise mit einer Wirbelboden- oder Wirbelkomponentenfeuerung 4 betrie­ ben. Bei einer Wirbelkomponentenfeuerung werden die Rückstände über 5 entleert. Die Abgase aus der Brennkammer 11 mit einer Temperatur von bis zu 1000°C führen Verunreinigungen in der Form von Asche- oder Staubpartikeln mit, wie dies bei Gas- oder Ölfeuerungen nicht der Fall ist.

Nach Fig. 1 werden diese in einer Hochtemperaturentstaubungs­ anlage 25 (hier dargestellt als Keramikfilter) gereinigt. Die in den Rauchgasen enthaltenen Aschen und Stäube werden über 26 ausgetragen. Die Rauchgase verlassen die Hochtemperaturentstau­ bung 25 mit nahezu gleichbleibender Temperatur 21 unter Berück­ sichtigung eines geringen Isolationsverlustes. Die heißen Rauch­ gase 21 werden dem Stirling-Motor 30 zugeführt. Der Stirling- Motor wird nicht gesondert beschrieben, weil an sich bekannt. Eine Anpassung der Wärmetauscherflächen für die Nutzung der Rauchgase aus Biostoff-Verbrennungsanlagen und geringeren Tempe­ raturen gegenüber Erdgasfeuerungen kann erforderlich sein, um möglichst hohe Wirkungsgrade zu erzielen. Die Rauchgase 31 ver­ lassen mit einer Temperatur von ca. 600°C, ohne Berücksichti­ gung einer Luftvorwärmung im Motor-Aggregat selbst, den Stir­ ling-Motor. Mit Hilfe des an den Stirling-Motor gekoppelten Generators 32 wird die Umwandlung der mechanischen in elektri­ sche Energie realisiert. Die Rauchgase 31 werden dann einer Abwärmenutzung 40 zur Verfügung gestellt. Diese Abwärmenutzung kann in der Form von Stromerzeugung im Gegendruck- oder Konden­ sationsbetrieb und-/oder Heiz- und Prozeßwärmeversorung und/oder Trocknungsanlagen erfolgen.

Nach Fig. 2 werden die Rauchgase 11 einem Rauchgas-Luft-Wärme­ tauscher 20 zugeführt. Zur Vermeidung von Verschmutzungen im Rauchgas-Luft-Wärmetauscher 20 kann diesem eine Hochtemperatur­ entstaubung (in Fig. 1, s. 25) in Form eines Keramikfilters oder eines Heißgaszyklons vorgeschaltet werden. Der Rauchgas-Luft- Wärmetauscher 20 kühlt die Rauchgase ab und erhitzt die Luft auf eine Temperatur von bis zu 800°C. Die abgekühlten Rauchgase 31 verlassen den Rauchgas-Luft-Wärmetauscher 31 und werden an­ schließend einer weiteren, mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen, Abwärmenutzung 40 zugeführt. Anschließend erfolgt eine Reinigung der Rauchgase auf niedrigem Temperaturniveau. Die aus dem Rauch­ gas-Luft-Wärmetauscher 20 austretende Heißluft 22 wird in den Stirling-Motor 30 geleitet. Die Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie erfolgt analog zu Fig. 1 in einem Generator 32. Die Heißluft 33 verläßt den Stirling-Motor mit einer Tempe­ ratur von ca. 500°C und wird einer weiteren Abwärmenutzung 50 zugeführt. Diese kann analog zu Fig. 1 (Abwärmenutzung 40) er­ folgen. Das saubere Abgas 33 aus dem Stirling-Motor 30 muß nicht gereinigt werden und ist somit ideal für Trocknungszwecke von Nahrungs- und Futtermitteln geeignet. Der Rauchgas-Luft-Wärme­ tauscher 20 kann in liegender oder in stehender Form ausgeführt sein. Bei nicht-vorgeschalteter Entstaubung der Rauchgase ist eine Reinigungseinrichtung mit Hilfe von Ketten, Kugelregen, Rußbläsern oder dergleichen vorzusehen. Der Wärmetauscher 20 kann entweder mit einem Werkstoff für die jeweiligen Temperatur­ bereiche oder mit verschiedenen Werkstoffen für die jeweiligen Temperaturbereiche ausgestattet sein. Entfällt die Abwärme­ nutzung 50 der Heißluft 33 aus dem Stirling-Motor kann diese als vorgewärmte Verbrennungsluft verwendet werden. Daraus ergibt sich eine Wirkungsgradsteigerung durch einen wegfallenden Ab­ gasvolumenstrom. Bei einer dem Rauchgas-Luft-Wärmetauscher 20 vorgeschalteten Rauchgasreinigung (Keramikfilter, Heißgaszyklon) kann bei Einsatz bestimmter biogener Brennstoffe eine weitere Reinigung bei 40 entfallen.

Claims (12)

1. Verfahren zur energetischen Nutzung nachwachsender Roh­ stoffe, wobei die Rohstoffe wie Holzstaub, Späne, andere ähn­ liche nachwachsende Rohstoffe und dergleichen bei Unterdruck verbrannt und gegebenenfalls die Verbrennungsrückstände abge­ trennt werden, und die bei Temperaturen um 1000°C austretenden Abgase Verunreinigungen in Form von Asche- und Staubpartikeln mitführen, dadurch gekennzeichnet, daß die ver­ schmutzten Abgase hochtemperaturgereinigt werden und in einem Stirling-Motor unter Energieumwandlung Wärme abgeben sowie einer Abwärmenutzung zugeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abwärmenutzung in Form der Stromerzeu­ gung im Gegendruck- oder Kondensationsbetrieb oder in Form von Heiz- oder Prozeßwärmeversorgung und/oder in Trocknungsanlagen realisiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperaturreinigung bzw. -entstaubung über Keramikfilter an sich bekannter Art oder Heißgaszyklone vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling-Motor einen Stromgenerator treibt.

5. Verfahren zur energetischen Nutzung nachwachsender Roh­ stoffe, wobei die Rohstoffe wie Holzstaub, Späne, andere ähn­ liche nachwachsende Rohstoffe und dergleichen bei Unterdruck verbrannt und gegebenenfalls die Verbrennungsrückstände abge­ trennt werden, wobei die bei Temperaturen um 1000°C austreten­ den Abgase Verunreinigungen in Form von Asche- und Staubparti­ keln mitführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase gegebenenfalls hochtemperaturentstaubt, einem Rauch­ gas-Luft-Wärmeaustausch ausgesetzt und einer Abwärmenutzung zugeführt und bei niedriger Temperatur gereinigt werden, im Wärmeaustausch die Luft auf beispielsweise 800°C vorgewärmt und in einem Stirling-Motor unter Energieausnutzung abgekühlt und einer weiteren Abwärmenutzung zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieses reine Abgas des Stirling-Motors zur Trocknung von Nahrungsmitteln und Futtermitteln oder als Ver­ brennungsluft verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei nicht-vorgeschalteter Entstau­ bung der Rauchgase eine Reinigung mit Hilfe von Ketten, Kugelre­ gen, Rußbläsern oder dergleichen im Rauchgas-Luft-Wärmetauscher vorgesehen wird.

8. Vorrichtung zur energetischen Nutzung nachwachsender Roh­ stoffe, mit einer Unterdruckbrennkammer für Holzstaub, Späne oder ähnliche andere nachwachsende Rohstoffe oder dergleichen, gekennzeichnet durch eine ihr nachgeschaltete Entstaubung, insbesondere mit Keramikfilterkerzen, deren gerei­ nigte Austrittsgase einem gegebenenfalls mit einem Stromgenera­ tor (32) verbundenen Stirling-Motor zugeführt werden und mit einer Abwärmenutzung (40) der sauberen aus dem Stirling-Motor austretenden Abgase.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abwärmenutzung in einer Stromerzeugung im Gegendruck- oder Kondensationsturbinenbetrieb (40) besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abwärmenutzung in einer Heiz- und Prozeßwärmeversorgung und -trocknung besteht.

11. Vorrichtung zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe, mit einer Unterdruckbrennkammer für Holzstaub, Späne oder ähnliche andere nachwachsende Rohstoffe oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß der Biostoffbrenn­ kammer (10) ein Rauchgas-Luft-Wärmetauscher nachgeschaltet ist, der mit Heißluft einen mit einem Stromgenerator (32) verbundenen Stirling-Motor (30) beaufschlagt, bei dem der Rauchgas-Luft- Wärmetauscher (20) mit einer Stufe (40) für die Abwärmenutzung und Rauchgasreinigung, der Stirling-Motor (30) mit einer Stufe (50) zur Abluftbehandlung unter Wärmeausnutzung ohne Rauchgasreinigung verbunden ist.

12. Anwendung von Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf Heißgasmaschinen in Form von Stir­ ling-Motoren, denen entstaubtes Rauchgas oder Heißluft zugelei­ tet wird.