DE69608140T2

DE69608140T2 - Methode und vorrichtung zur verwendung von biobrennstoff oder abfallmaterial in der energieproduktion

Info

Publication number: DE69608140T2
Application number: DE69608140T
Authority: DE
Inventors: Matti Hiltunen; Jorma Nieminen
Original assignee: Foster Wheeler Energia Oy
Current assignee: Amec Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 1995-11-28
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: EP0920485B1; EP0920485A1; DE69608140D1; JPH11501116A; CA2236805C; DE920485T1; WO1997020017A1; ATE192481T1; JP3203255B2; US5626088A; DK0920485T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung von Biobrennstoff oder Abfallstoff bei der Energieerzeugung, wie es im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben ist.
Man hat viele Methoden zur Nutzung von billigem Biobrennstoff oder Abfallstoff zur Energieerzeugung vorgeschlagen, um einen Teil des bei der Energieerzeugung verwendeten fossilen Brennstoffs zu ersetzen und um dadurch die CO&sub2;- Emissionen allgemein bei der Energieerzeugung zu reduzieren. Meistens muss der Abfallstoff jedoch sowieso auf die eine oder andere Weise entsorgt werden.
Biobrennstoff und insbesondere Abfallstoff, der ein minderwertiger Brennstoff ist und oft nachteilige und gesundheitlich schädliche Bestandteile enthält, lässt sich nicht leicht zur Energieerzeugung verwerten. Gesundheitlich schädliche Bestandteile, wie z. B. Schwermetallverbindungen, können umweltschädliche Emissionen verursachen, während Alkaliverbindungen geneigt, sind technische Probleme insbesondere beim Verbrennen solchen Materials zu verursachen.
Wegen des niedrigen Energieinhalts von Biobrennstoff und Abfallstoff sind sie im Allgemeinen für Erzeugung von Energie mit hohem Wirkungsgrad, wie etwa Hochtemperatur- Hochdruckdampf oder Elektrizität, ungeeignet. Auch die ungleichmäßige Anfuhr von Abfallstoff, Unterschiede in seiner Qualität und andere ähnliche, schwerlich zu kontrollierende Schwankungen können Probleme bei der Energieerzeugung verursachen, die allein auf Brennstoff auf Abfallbasis zurückzuführen sind. Der Abfallstoff als solcher wird oft in einem Zustand angeliefert, der für direkte Einführung in einen Dampfkessel ungeeignet ist. Das Material muss getrocknet, zerkleinert, pelletiert oder sonst aufbereitet werden, bevor er in den Kessel eingeführt wird. Deshalb hat man unterschiedliche Weisen vorgeschlagen, Vergaser mit Feuerungen zu kombinieren.
Biobrennstoff und Abfallstoff können jedoch ziemlich leicht vergast werden. Doch die Nutzung von Biobrennstoff und Abfallstoff zur Energieerzeugung setzt eine komplette Vergasungsanlage mit Vergaser und Gasreinigern sowie ein komplettes Kraftwerk mit Kessel, Turbinen, usw. voraus. Wirtschaftlich ist es nicht durchführbar, wenn nur kleine Mengen an Biobrennstoff oder Abfallstoff zur Verfügung stehen.
In der FI-Anmeldung 1895/73, WO-A-81/01713 und WO-A-88/05494 hat man vorgeschlagen, Biobrennstoff auf einem Gitterrost oder in einem fluidisierten Vergaser zu verga sen und das produzierte Gas in einen Dampferzeugungskessel einzuführen, der in seinem unteren Teil Brenner für fossilen Brennstoff aufweist.
In einer anderen finnischen Patentanmeldung, FI 851338, hat man vorgeschlagen, Holzabfall oder ähnlichen Brennstoff mit niedrigem Energieinhalt zu vergasen und das dadurch produzierte Gas in einer Mehrstofffeuerung zu verbrennen. Zusätzlich wird fein gemahlenes brennbares Material direkt in die das Gas verbrennende Flamme eingespritzt.
Ferner hat man in einer WO-Veröffentlichung 90/12986 vorgeschlagen, Abfallstoff in direktem Wärmetausch mit heißen Abgasen von einer Kohlenverbrennungsanlage zu trocknen und sowohl das durch Trocknen erzeugte Gasgemisch als auch den aus dem Abfall produzierten trockenen Feststoff in die Kohlenverbrennungsanlage einzuführen. Das Gas wird in den unteren Teil des Kohlenverbrennungsreaktors unterhalb der darin angeordneten Kohlenbrenner eingeführt. Auch getrocknetes Material wird dem Reaktor auf einem höheren Niveau zugeführt.
In der deutschen Patentanmeldung DE 36 32 534, die US 4,676,177 entspricht, hat man des Weiteren vorgeschlagen, Alkaliverbindungen enthaltenden Brennstoff in einem Wirbelschichtvergaser bei einer Temperatur unter 900ºC (1652ºF) zu vergasen und das im Vergaser produzierte Gas in einer Feuerung auf einem Temperaturniveau zu verbrennen, das hoch genug (> 900ºC) ist, um den Alkalinhalt des Rauchgases einzuschmelzen. Die Alkaliverbindungen können in geschmolzenem Zustand abgetrennt werden, und das gereinigte Gas kann in einem Konvektionsabschnitt eines Kessels abgekühlt werden.
Alle oben vorgeschlagenen Prozesse scheinen vorauszusetzen, dass die Feuerung, der Kessel oder die darin befindlichen Brenner speziell für jenen Prozess konstruiert sind, um Biobrennstoff oder aus Abfall herrührendes Produktgas kontinuierlich zu verbrennen. Einige der Konstruktionen scheinen ziemlich kompliziert zu sein.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Nutzung von Biobrennstoff oder Abfallstoff bei der Energieerzeugung vorzusehen.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung von Biobrennstoff oder Abfallstoff zur Erzeugung von Dampf und/oder Elektrizität mit hohem Wirkungsgrad vorzusehen.
Es ist weiters eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung eines mit Brennern ausgestatteten Kessels bei der Energieerzeugung zur Verbrennung von Biobrennstoff oder Abfallstoff vorzusehen.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung von Biobrennstoff und Abfallstoff bei der Energieerzeugung mit minimierten Emissionen an nachteiligen oder gesundheitlich schädlichen Verbindungen vorzusehen.
Der vorliegenden Erfindung zufolge sind ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Nutzung von Biobrennstoff oder Abfallstoff zur Energieerzeugung vorgesehen durch Vergasung des Biobrennstoffs oder Abfallstoffs und Verbrennung des im Vergaser erzeugten Gases in einem Dampfkessel, welches neue Verfahren und welche neue Vorrichtung durch das gekennzeichnet sind, was in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen festgehalten ist.
Das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung besteht in der Nutzung
1) eines Wirbelschichtvergasers zur Vergasung von Biobrennstoff oder Abfallstoff, und
2) eines konventionellen, mit Brennern bestückten Fossilbrennstoff-gefeuerten Kessels, der in seinem unteren Teil typisch Kohlenstaub- oder Ölbrenner aufweist fürs Verbrennen von Kohlenstaub oder Öl, und auf einem Niveau über den Kohlenstaub- oder Ölbrennern angeordnete Mittel fürs Verbrennen des im Vergaser erzeugten Gases.
Typisch ist der Kessel mit Kohlenstaubbrennern ausgestattet. In anderen Fällen könnte es sich bei den Brennern um Ölbrenner oder sogar Erdgasbrenner handeln. Der Kessel ist eines Typs, bei dem Biobrennstoff oder Abfallstoff normalerweise nicht verfeuert werden können. Deshalb ist er kein Wirbelschichtkessel. Weil Kohlenstaub und Öl die typischsten in den Brennern verwendeten Brennstoffe sind, bezieht sich der Rest dieser Veröffentlichung manchmal auf Kohlen- oder Ölbrenner. Es leuchtet jedoch ein, dass solche Verweise derart weit auszulegen sind, dass sie Fossilbrennstoff-gefeuerte Brenner generell umfassen.
Biobrennstoff oder Abfallstoff wird im Wirbelschichtvergaser mit einem Bett zum Beispiel aus aus Kessel-Rauchgasen abgeschiedener Kohlenasche oder anderem festem Partikelmaterial vergast. Das im Vergaser produzierte heiße Rohgas kann direkt in einen koh lenstaubgefeuerten Kessel eingeleitet werden, oder aber vorzugsweise kann das Gas zuerst gereinigt werden, um den Alkali- und Schwermetallinhalt herauszuscheiden.
Das produzierte Gas wird dem Kessel auf einem Niveau über den Hauptbrennern, zum Beispiel seinen Kohlenstaub- oder Ölbrennern, eingeführt. Dadurch bildet das Verbrennen von Gas im Kessel eine Wiederverbrennungsstufe, die den NOx-Gehalt der Kessel- Rauchgase herabsetzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind dadurch ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgesehen, die die Nutzung von Biobrennstoff oder Abfallstoff zur Erzeugung von Energie, d. h. Hochtemperatur- und Hochdruckgas und Elektrizität mit hohem Wirkungsgrad in einem konventionellen kohlenstaubgefeuerten Kessel ermöglichen.
Große kohlenstaubgefeuerte Kessel sind in der Regel des Durchlauftyps mit Zwischenüberhitzungsabschnitten innerhalb des Kessels und erzeugen Elektrizität mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann Elektrizität mit einem hohem Wirkungsgrad auch aus Biobrennstoff oder Abfallstoff produziert werden, wenn das Material zunächst vergast und anschließend in einem hauptsächlich konventionellen Hochleistungskessel verbrannt wird.
Die vorliegende Erfindung sieht Mittel fürs Ersetzen eines Teils des im Kessel verfeuerten Kohlenstaubs oder Öles vor durch aus billigerem Brennstoffmaterial, wie z. B. Biobrennstoff oder Abfallstoff gewonnenem Gas. Die vom Gas bereitgestellte Energie kann 5-35% der gesamten Energieerzeugung entsprechen. Bei kleineren Kesseln kann dieser Prozentsatz sogar größer sein. Dieses Ersetzen von fossiler Kohle oder Öl durch regenerativen Brennstoff setzt die CO&sub2;-Emissionen global gesehen entsprechend herab.
Ein kohlenstaubgefeuerter Kessel mit darin installierten Brennern, wie durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird, kann in den meisten Anwendungsfällen bei Bedarf auch allein bei Kohlenstaub eingesetzt werden. Am Kessel brauchen normalerweise keine grundlegenden Veränderungen vorgenommen werden, die es unmöglich machen würden, den Kessel auf konventionelle Art zu benutzen. Die vorliegende Erfindung sieht lediglich Mittel zur Benutzung des Kessels bei Bedarf kontinuierlich oder intermittierend zur Mehrstoff-Energieerzeugung.
Bei einem bestehenden Kraftwerk, das die vorliegende Erfindung nutzt, muss die bestehende Anlage hauptsächlich mit einem Vergaser, eventuell mit Gasreinigungs- und Abküh lungsmitteln und Mitteln zur Beförderung von Gas und Asche nachgerüstet werden. Im Gegensatz dazu erfordert ein Prozess, wo Energie allein aus Biobrennstoff oder Abfallstoff produziert werden soll, dass sowohl eine Vergasungsanlage als auch eine getrennte komplette Kesselanlage gebaut werden sollen. Dies führt sogar bei verhältnismäßig kleinen Kesselanlagen zu sehr hohen Investitionen.
Der Wirkungsgrad solcher kleinen Kesselanlagen ist gewöhnlich erheblich niedriger als der Wirkungsgrad bei größeren kohlengefeuerten Kesselanlagen. Auch wäre es ökonomisch nicht sinnvoll, Abfallstoff über lange Entfernungen zu transportieren, um größere, allein äüf Abfallstoff angewiesene Kessel zu rechtfertigen.
In einem Vergaser können viele verschiedene Brennstoffe vergast werden, und der Vergasungsprozess kann durch Regelung der unterstöchiometrischen Luftmenge kontrolliert werden, die in den Vergaser eingeführt wird. Hierdurch wird es möglich, zum Beispiel eine Vielzahl unterschiedlicher, mehr oder weniger feuchter Biobrennstoffe oder Abfallstoffe zu verwenden. Der Feuchtegehalt kann zwischen 70 und 0% variieren. Bei Verwendung von äußerst nassem Material müssen eventuell überstöchiometrische Luftmengen verwendet werden. Dies führt selbstverständlich zu einem Rückgang des Wirkungsgrades.
Abfallstoff als solcher lässt sich normalerweise leicht vergasen. Das Material muss nicht pulverisiert werden, sondern es kann dem Vergaser in einem ziemlich unbehandelten Zustand zugeführt werden. Die Vergasung in einer Wirbelschicht, vor allem in einer zirkulierenden Wirbelschicht, ist vorteilhaft. Normalerweise findet die Vergasung bei einer Temperatur von 600-1100ºC (1112-2012ºF), vorzugsweise 750-950ºC (1382-1742ºF), statt. Das Vergasen bei ziemlich niedrigen Temperaturen ergibt weniger Probleme mit der Anlagerung von schmelzflüssiger Asche und anderen klebrigen Verbindungen als das Verbrennen von Abfallstoff auf hohen Temperaturen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Rauchgasemissionen minimiert werden, indem Alkalibestandteile, Schwermetallbestandteile, wie Pb, Zn, As, und eventuell andere nachteilige oder gesundheitlich schädliche Bestandteile aus dem Produktgas vor dem Leiten des Gases in den Kessel herausgeschieden werden. Die Reinigung des Gases kann vorteilhafterweise in einem Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht stattfinden, wo das Gas auf ungefähr 400-600ºC (752-1112ºF) abgekühlt wird. Das Gas sollte nicht auf eine zu niedrige Temperatur abgekühlt werden, wo Teere oder andere ähnliche Bestandteile, die sonst in ihrem gasförmigen Zustand verbrannt werden kön nen, kondensieren und aus dem Produktgas ausscheiden und Probleme verursachen können, statt in den Kessel eingeführt zu werden.
Ein weiterer, durch die vorliegende Erfindung erreichter Vorteil besteht in dem niedrigen, im Kessel benötigten Gesamt-Luftüberschuss. Die im oberen Teil des Kessels arrangierte Verbrennung von Gas braucht einen sehr niedrigen Luftüberschuss von ungefähr 5-10% im Vergleich zum Luftüberschuss von ungefähr 15-20%, der bei der Verbrennung von Kohlenstaub im unteren Teil des Kessels notwendig ist. Der Restsauerstoff liegt in der Gasverbrennungszone bei ungefähr 1-2,5% und in der Kohlenverbrennungszone bei ungefähr 3-5%. Der minimale Luftüberschuss an Luft und die Verbrennung von Gas bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur von 800-1050ºC (1472-1922ºF), vorzugsweise 850-900ºC (1562-1652ºF), führen zu einer minimalen NOx-Bildung im Kessel.
Durch Bereitstellen dieser Wiederverbrennungsstufe, d. h. der Gasverbrennungsstufe, im oberen Teil des Kessels, gehen dank der vorliegenden Erfindung auch die von der Kohlenstaubverbrennung herrührenden NOx-Emissionen zurück. Das in einem Vergaser erzeugte Gas enthält immer etwas NH&sub3;. Bei Verbrennung solchen Produktgases gut oberhalb der Kohlenbrenner im Kessel reagiert das mit dem Gas in den oberen Teil des Kessels eingeführte NH&sub3; mit den NOx-Bestandteilen, die von der Kohlenstaubfeuerung stammen. Durch die Reaktionen zwischen NH&sub3; und NOx entstehen harmloses N&sub2; und H&sub2;O. Diese Reaktionen werden durch das Produktgas begünstigt, das bei niedriger Temperatur und niedrigem Luftüberschuss verbrannt wird. Durch eine stark abgestufte Verbrennung von Gas, d. h. Einführung von Luft auf einem Niveau wesentlich über dem Gaseinspritzungsniveau, werden diese Reaktionen ebenfalls begünstigt. Durch die abgestufte Verbrennung entstehen unterstöchiometrische Verhältnisse, die die NH&sub3;/NOx-Reaktionen begünstigen.
Aus den Kessel-Rauchgasen abgeschiedene Asche kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Bettmaterial im Wirbelschichtvergaser verwendet werden. Dabei wird der Kohlenstoffinhalt der Kesselasche zumindest teilweise zurückgewonnen und im Vergaser vergast oder möglicherweise mit dem Produktgas in den Kessel zurückgeführt.
Wärmeverluste nehmen ab, wenn das rohe ungereinigte und ungekühlte Produktgas direkt in den Kessel eingeführt wird, weil dabei nichtvergaster Kohlenstoff-Feinstoff, der vom Abfallstoff oder möglicherweise von der Kohlenasche herrührt, ebenfalls in den Kessel eingespritzt und anschließend dort verfeuert wird. In einem Kessel mit sehr stark abgestufter Verbrennung von Kohle kann die Menge an restlichem Kohlenmaterial in der Flugasche gar ein so hohes Niveau wie ungefähr 5-15% erreichen.
Wärmeverluste werden selbstverständlich ebenfalls durch die vorliegende Erfindung vermindert, weil die Verbrennung von Gas bei einem sehr niedrigen Gesamt- Luftüberschuss stattfindet. Einer der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass fester Biobrennstoff oder Abfallstoff bei der Energieerzeugung im Zusammenhang mit konventionellen kohlenstaub- oder ölgefeuerten Kesseln verwendet, d. h. zur Energieerzeugung mit sehr hohem Wirkungsgrad ausgenutzt werden können.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung detaillierter anhand der veranschaulichenden Ausführungsformen beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines Vergaser-/Kessel-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 2 eine schematische Zeichnung eines anderen Vergaser-/Kessel-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 stellt einen Vergaser 10 zur Vergasung von Biobrennstoff und/oder Abfallstoff, und einen damit verbundenen kohlenstaubgefeuerten Kessel 12 zur Verbrennung von Kohlenstaub oder Öl und des im Vergaser produzierten Produktgases dar. Bei dem Vergaser 10 handelt es sich um einen zirkulierenden Wirbelschicht-(CFB-)Vergaser mit einem zirkulierenden Bett aus Feststoffpartikeln darin.
Der CFB-Vergaser umfasst eine Vergasungskammer 14, einen mit dem oberen oder dem Gasaustrittsende der Kammer 14 verbundenen Partikelabscheider 16 und einen Rückführkanal 18, der das untere Ende des Abscheiders 16 mit dem unteren Ende der Vergasungskammer 14 verbindet. Ein Bett aus Feststoffpartikeln wird durch Fluidisierungsgas, wie z. B. Luft, im Vergaser fluidisiert, das über Kanal 20 durch den Boden der Vergasungskammer 14 eingeführt wird. Biobrennstoff und/oder Abfallstoff werden durch Kanal 22 in die Vergasungskammer eingeführt und augenblicklich mit der darin befindlichen heißen Wirbelschicht vermischt. Der Biobrennstoff oder Abfallstoff können nichtpulverisiert und nichtgetrocknet sein. Bettmaterial, inklusive Bodenasche, groben Feststoff usw., kann aus dem unteren Teil der Vergasungskammer durch einen unteren Ascheabzugskanal 24 abgeleitet werden. Produktgas wird aus dem Abscheider 16 durch Kanal 26 abgeleitet. Das durch Kammer 14, Abscheider 16 und Rückführkanal 18 zirkulierende Bettmaterial er gibt eine gleichmäßige Temperatur durch den gesamten Vergaser hindurch und günstige Verhältnisse für die Vergasung.
Der Kessel 12 ist ein Durchlaufkessel mit abgestuften Kohlenstaubbrennern 28, 28' und 28", die Kohle und Luft auf drei Niveaus dreien unterschiedlichen Kohlenverbrennungszonen im unteren Teil 30 des Kessels zuführen. Rauchgase werden aus dem oberem Teil des Kessel durch Kanal 32 in einen Konvektionsabschnitt 34 abgeleitet. Feinasche wird aus den Rauchgasen abgeschieden und durch Kanäle 36 abgeleitet. Rauchgas wird durch Kanal 38 abgeleitet. Aus den Rauchgasen abgeschiedene Asche kann in einer Vorrichtung 40 weiterbehandelt werden. Feinen Kohlenstoff enthaltende Asche wird aus der Vorrichtung 40 durch Kanal 42 in die Vergasungskammer 14 geleitet, um dort zirkulierendes Wirbelschichtmaterial zu bilden.
Heißes rohes Produktgas, das im Vergaser 10 produziert und durch Kanal 26 abgeleitet wird, wird durch einen Injektor 44 in den Kessel 12 auf einem Niveau 46 oberhalb der Kohlenbrenner 28, 28' und 28" eingeführt. Luft zur Verbrennung des Produktgases wird durch eine Düse oder Düsen 48 auf einem Niveau 50 oberhalb der Ebene 46 des Gasinjektors 44 eingeführt, um eine abgestufte Verbrennung von Produktgas im Kessel zu erreichen.
Die in den, aus den Kohlenverbrennungszonen aufsteigenden Rauchgasen enthaltene Restluft wird zur Verbrennung von Produktgas auf seinem Eintrittsniveau 46 verwendet. Auf der Gaseintrittsebene 46 herrschen unterstöchiometrische Verhältnisse, wobei das NH&sub3; des Produktgases mit dem NOx der Rauchgase reagiert und harmloses N&sub2; und H&sub2;O bildet. Das Produktgas wird anschließend mit Luft völlig verbrannt, die durch Düsen 48 auf dem höheren Niveau 50 eingeführt wird. Das Gas wird hier bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur, vorzugsweise 850-900ºC (1562-1652ºF), verbrannt, wo die NOx-Bildung aus dem Luftstickstoff viel geringer als beim Verbrennungsprozess im unteren Teil des Kessels ist, wo kohlenstoffhaltiger Brennstoff auf hohen Temperaturen, typisch > 1000ºC (1832ºF) verfeuert wird.
Fig. 2 stellt ein anderes System dar, das dem von Fig. 1 ähnlich ist. Das System von Fig. 2 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 in Hinsicht auf die Behandlung des rohen Produktgases vor seiner Einführung in den Kessel. In Fig. 2 werden, soweit zutreffend, die gleichen Bezugszeichen mit einer vorangestellten "1" angewendet.
Fig. 2 zeigt einen CFB-Vergaser 110 mit Vergasungskammer 114, Abscheider 116, Rückführkanal 118 und Produktgas-Abzugskanal 126, und einen Kessel 112 mit abgestuften Kohlenbrennern 128, 128' und 128", Gasinjektor 144 und Luftdüse oder -düsen 148.
Das Produktgas, das durch den Kanal 126 aus dem CFB-Vergaser 110 abgezogen wird, wird gereinigt und in einem CFB-Kühler 152 abgekühlt, bevor es durch einen Kanal 154 und über den Gasinjektor 144 in den Kessel 112 geleitet wird.
Der CFB-Gaskühler umfasst einen Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht, der eine Reaktionskammer 156, einen Abscheider 158 und einen Rückführkanal 160 umfasst. Heißes und schmutziges rohes Produktgas wird als Fluidisierungsgas durch den Boden 162 der Reaktionskammer 156 eingeführt. Der unterste Teil der Reaktionskammer bildet eine Mischkammer zur intensiven Vermischung heißen Produktgases mit Partikeln, die in den Mischkammerabschnitt der Reaktionskammer 156 durch Rückführkanal 160 rückgeführt werden. Die Beimischung von Produktgas in ein Bett von abgekühlten Partikeln kühlt das Gas sehr wirksam ab. Das Bettmaterial im CFB-Kühler kann aus Aschepartikeln gebildet sein, die durch Kanal 142 und 142' vom Kessel eingeführt sind.
Der Produktgasstrom, der durch Kanal 126 in die Reaktionskammer 156 eingeführt wird, befördert feste Bettpartikel aufwärts durch einen Steigrohrabschnitt 164 desselben auf einen Abzugskanal 166 zu, der mit dem obersten Teil der Reaktionskammer verbunden ist. Wärmeübertragungsflächen 168 sind in einem Steigrohrabschnitt der Reaktionskammer über dem Mischkammerabschnitt derselben angeordnet, um die aufwärts durch den Steigrohrabschnitt der Reaktionskammer aufwärts fließende Suspension aus Produktgas und festem Bettmaterial weiter abzukühlen.
Die Abkühlung von Gas hat zur Folge, dass bestimmte zuvor verdampfte nachteilige Bestandteile, wie z. B. Alkali- und Schwermetallverbindungen sich auf Bettmaterialpartikeln verfestigen und sich leicht vom Produktgas im Abscheider 158 abscheiden lassen. Auch klebrige Bestandteile des Rohgases setzen sich auf Bettmaterial fest und können leicht aus dem Gas abgeschieden werden.
Die meisten Partikel werden aus dem abgekühlten und gereinigten Produktgas im Abscheider 158 abgeschieden. Das Gas kann jedoch, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, in einem weiteren Zyklon 170 gereinigt werden, der restliches feines Partikelmaterial, wie z. B. Flugasche und Alkalien aus dem Gas abscheidet, bevor das gereinigte Gas durch Gasinjektor 144 in den Kessel 112 eingeführt wird.
Während die Während die Erfindung hier anhand dessen beschrieben wurde, was man für die derzeit praktischsten und bevorzugtesten Ausführungsformen hält, sollte es einleuchten, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt wer den soll, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen im Rahmen der beigefügten Ansprüche einschließen soll.

Claims

1. Verfahren zur Nutzung von Biobrennstoff oder Abfallstoff von niedrigem Energieinhalt oder beidem zur Energieerzeugung, das folgende Schritte umfaßt:

- Einführung von Biobrennstoff oder Abfallstoff oder beidem in einen Wirbelschichtvergaser,

- Betreiben des Wirbelschichtvergasers auf solche Weise, daß der darin befindliche Biobrennstoff oder Abfallstoff vergast und ein Rohgas erzeugt wird, und

- Verbrennung des Rohgases in einem Kessel ohne Wirbelschicht,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das im Wirbelschichtvergaser erzeugte Rohgas in einen mit Fossilbrennstoffbrennern ausgestatteten Dampferzeugungskessel eingeleitet wird, welcher Einführungsschritt auf einer Ebene im Kessel erfolgt, die über der Ebene der Brenner ist, und

- Rohgas auf der Ebene über der Ebene der Brenner im Kessel verbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:

- Abscheidung von Asche aus Rauchgasen, die aus dem Kessel abgezogen worden sind,

- Einführung der abgeschiedenen Asche in den Wirbelschichtvergaser, und

- Verwendung der abgeschiedenen Asche im Vergaser, um darin eine Wirbelschicht aus Feststoffpartikeln vorzusehen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:

- Leitung des Abgases aus dem Wirbelschichtvergaser zu einem Abscheider,

- Abscheidung von Partikelmaterial aus Gasen im Abscheider,

- Leitung der abgeschiedenen Gase zum Kessel als Rohgas, und

- Rückführung des abgeschiedenes Partikelmaterials zum Vergaser.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende weitere Schritte umfaßt:

- Leitung der Abgase vom Wirbelschichtvergaser zu einem Abscheider,

- Abscheidung von Partikelmaterial aus Gasen im Abscheider, Leitung der abgeschiedenen Gase zum Kessel als Rohgas, und

- Rückführung des abgeschiedenen Partikelmaterials zum Vergaser.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt zur Reinigung des Rohgases durch Entfernung von Alkalien oder Metallbestandteilen oder beidem aus dem Rohgas, bevor das Rohgas in den Kessel eingeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch den Schritt zum Kondensieren verdampfter nachteiliger oder schädlicher Bestandteile des Rohgases, bevor das Rohgas in den Kessel eingeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationsschritt den Schritt zur Leitung des Rohgases durch einen Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht umfaßt, der ein Bett aus Kohlenasche aufweist, nachdem das Rohgas den Vergaser verläßt, und bevor das Rohgas in den Kessel eingeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsschritt den Schritt zur Leitung von Rohgas durch einen Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht umfaßt, der ein Bett aus Kohlenasche aufweist, nachdem das Rohgas den Vergaser verläßt, und bevor das Rohgas in den Kessel eingeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zur Verbrennung des Rohgases im Kessel den Schritt zur Durchführung der Verbrennung bei einer Temperatur von 800-1050ºC (1472-1922ºF) umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zur Verbrennung des Rohgases im Kessel den Schritt zur Verbrennung einer Menge des Gases umfaßt, um für 5-35% der gesamten Energieerzeugung des Kessels aufzukommen.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zur Verbrennung des Rohgases im Kessel den Schritt zur Durchführung der Verbrennung bei einer Temperatur von 850-900ºC (1562-1652ºF) und bei einem Luftüberschuß von ungefähr 5-10% umfaßt, wodurch vorteilhafte Rückverbrennungsverhältnisse von Rauchgasen geschaffen werden, die aus der Feuerungszone im unteren Teil des kessels aufsteigen.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zur Einführung von Biobrennstoff oder Abfallstoff oder beidem in einen Wirbelschichtvergaser den Schritt zur Einführung von hauptsächlich nichtpulverisiertem und nichtgetrocknetem Biobrennstoff oder Abfallstoff oder beidem in den Wirbelschichtvergaser umfaßt.

13. Vorrichtung zur Verwendung von Biobrennstoff oder Abfallstoff von niedrigem Energieinhalt oder beidem zur Energieerzeugung, umfassend

- einen Wirbelschichtvergaser zur Vergasung von Biobrennstoff oder Abfallstoff oder beidem,

- einen Dampferzeugungskessel ohne Wirbelschicht, und

- Mittel zur Beförderung von im Vergaser produziertem Gas zum Kessel,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Kessel mit Fossilbrennstoffbrennern in einem unteren Teil desselben und mit Mitteln ausgestattet ist, die auf einer Ebene des Kessels oberhalb der Ebene der Brenner zur Einführung des Gases in den Kessel angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung des weiteren Mittel zur Austragung von Asche aus dem Kessel und Mittel zur Einführung der ausgetragenen Asche in den Vergaser umfaßt, um darin ein Bett aus Feststoffpartikeln zu schaffen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergaser ein Vergaser mit zirkulierender Wirbelschicht ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Gasreinigungsmittel mit dem Vergaser und mit dem Kessel verbunden sind, welche Gasreinigungsmittel im Vergaser erzeugtes Gas empfangen und dasselbe reinigen, bevor das Gas in den Kessel eingeführt wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasreinigungsmittel einen Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht umfassen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasreinigungsmittel einen Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht umfassen, der darin ein zirkulierendes Bett aus Kohlenasche aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Partikelabscheider mit den Gasreinigungsmitteln stromabwärts davon verbunden und auch mit dem Kessel verbunden ist, welcher Partikelabscheider Mittel zum Abscheiden feiner fester Bestandteile aus dem Gas umfaßt, bevor das Gas in den Kessel eingeführt wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Gaskühlungsmittel mit dem Vergaser und mit dem Kessel verbunden sind, welche Gaskühlungsmittel im Vergaser produziertes Gas empfangen und dasselbe abkühlen, bevor das Gas in den Kessel eingeführt wird.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskühlungsmittel einen Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht umfassen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskühlungsmittel einen Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht umfassen, der darin ein zirkulierendes Bett aus Kohlenasche aufweist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Partikelabscheider mit den Gaskühlungsmitteln stromabwärts derselben verbunden und auch mit dem Kessel verbunden ist, welcher Partikelabscheider Mittel fürs Abscheiden feiner fester Bestandteile aus dem Gas umfaßt, bevor das Gas in den Kessel eingeführt wird.