WO2015067233A1 - Verfahren zur nutzung von biomasse auch für hochtemperaturprozesse und deren anwendung - Google Patents

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    • F05D2220/75—Application in combination with equipment using fuel having a low calorific value, e.g. low BTU fuel, waste end, syngas, biomass fuel or flare gas

Definitions

  • the invention relates to a method for using biomass for high-temperature processes, which was previously hardly possible by the fuel-related chlorides in the flue gas and the associated corrosion problems.
  • Such a solution is needed primarily in the energy industry for open and closed gas turbine processes, for steam power work processes and in process engineering.
  • Biomass direct-fired gas turbine proposed, leading to the mixing of
  • the flue gas outlet temperature must be high enough to the fresh air eg.
  • the flue gas cools down to about 200 ° C, after which it preheats the biomass by direct contact and dried after the Denox stage in a dryer (eg rotary kiln dryer).
  • the moist flue gases can be used as needed for heating purposes, as a heat sink for a heat pump or to be used for feedwater preheating before they flow into the atmosphere.
  • an optional shredder for a uniform chip size is required. Feed screws feed dryer and combustion chamber.
  • the fresh air fan provides the required combustion air pressure to overcome the flow resistance of each stage.
  • biomass can also be used for high-temperature processes, as sacrificial metal surfaces chemically bind the flue gas chlorides in an upstream corrosion filter. Compared to the expense of heat exchanger replacement of the sacrificial metal surfaces is low.
  • high-temperature alloys such as Nicrofer 6025 HT or ceramic silicon carbide plate heat exchangers
  • working fluid temperatures of more than 1000 ° C can be achieved.
  • the flue gas side critical temperature ranges below 600 ° C are used for air and fuel preheating or drying, with hardly any contact with metallic materials are required.
  • the problem is solved to operate by means of biomass high-temperature processes and to prevent chlorine corrosion.
  • the increased temperature difference between flue gas and working fluid causes a reduction of the required heating surface, which reduces the overall effort with good efficiency. All flue gas pipes (11) are lined from inside, insulated and thus protected.
  • FIG. 1 illustrates the shift of the combustion temperature from approximately 900 ° C. to over 1400 ° C. by the measures of strong air preheating up to approximately 600 ° C. and biomass heating and drying up to approximately 200 ° C.
  • FIG. 2 shows the method of using biomass for high temperature processes in the Denox stage application.
  • optional comminution (5) of the biomass follows Charging the Brömstoffvor Anlagenrs and dryer (7) for forwarding by means of screw conveyors (6) to the combustion chamber (8), in which the processed biomass with strongly preheated fresh air at about 1400 ° C burns.
  • the resulting flue gas stream passes through a cyclone for ash cinder deposition (9), wherein the liquid ash particles are separated and discharged by means of centrifugal and gravitational force.
  • the flue gas flows through sacrificial metal surfaces in the replacement module (13) in order to chemically bind the corrosive constituents in a targeted manner and to intercept further smaller ash particles.
  • the heat exchanger working fluid (14) follows the flue gas cooling to heat the respective working fluid depending on the main process, whether gas turbine or steam power process, overheat or evaporate.
  • the still high residual heat content at outlet temperatures of about 600 ° C is regenerated by the fresh air in the air preheater (15), by the biomass pretreatment in Brennstoffvorebenr and dryer (7) and optionally by the heat extraction or feedwater in the flue gas cooling (20).
  • the removal of the nitrogen oxides from the flue gas takes over a known prior art Denox stage (19).
  • FIG. 3 shows the method for using biomass for high-temperature processes in the application with flue gas recirculation for nitrogen oxide reduction.
  • the process is analogous to that of FIG. 2, but there is no Denox stage between the air preheater (15) and the fuel preheater and dryer (7).
  • the resulting during combustion nitrogen oxides are reduced by recirculation of the flue gases, since the repeated residence time in the high temperature region reduces nitric oxide formation statistically.
  • the combustion air conveyed and compressed by the fresh ventilator (17) passes after the air preheater (15) through the fresh air line (18) to the injector (23), which generates a partial smoke gas flow via the admixing line (22) after the heat exchanger sucks working fluid (14) and this leads back to the combustion chamber (8).
  • the emission limits can be met with moderate effort, especially in smaller power ranges.
  • Fig. 1 temperature diagram of the method for the use of biomass for high-temperature processes
  • FIG. 2 Block diagram of the method for using biomass for high-temperature processes in the application with a Denox stage
  • FIG. 3 block diagram of the method for the use of biomass for high-temperature processes in the application with flue gas recirculation

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse, was bisher durch die brennstoffbedingten Chloride im Rauchgas und die damit verbundenen Korrosionsprobleme kaum möglich war. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft für offene und geschlossene Gasturbinenprozesse, für Dampfkraft-Arbeitsprozesse und in der Verfahrenstechnik benötigt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Wandlerprozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Einen Beitrag hierzu leistet Biomasse, die CO2 neutral verbrennt, da die Assimilation der Photosynthese CO2 im gleichen Verhältnis durch Wachstum bindet. Nachteilig sind die in der Zellstruktur enthaltenen Chloride, die bei der Verbrennung mit vergasen und massive Korrosionsschäden an Metallflächen verursachen. Hohe Temperaturen bestimmen aber maßgeblich die Effizienz, deshalb soll Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse nutzbar sein. Um Brennraumtemperaturen über 1300°C zu erzielen, müssen Verbrennungsluft und Biomasse mittels Rauchgas entsprechend vorgewärmt werden. Nach der Grobascheabscheidung passiert das Rauchgas einen Korrosionsfilter, indem leicht austauschbare Opfermetallflächen die Chloride weitestgehend chemisch binden und somit nachfolgende Stufen schützen.

Description

Verfahren zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse und deren Anwendung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse, was bisher durch die brennstoffbedingten Chloride im Rauchgas und die damit verbundenen Korrosionsprobleme kaum möglich war. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft für offene und geschlossene Gasturbinenprozesse, für Dampfkraft-Arbeitsprozesse und in der Verfahrenstechnik benötigt.
Der weltweit steigende Energiebedarf erhöht die anthropogenen Belastungen für Klima und Umwelt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Wandlerprozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Einen Beitrag hierzu leistet Biomasse, die C02 neutral verbrennt, da die Assimilation der Photosynthese C02 im gleichen Verhältnis durch Wachstum bindet. Deshalb zählt die Biomasse zu den regenerativen Energien. Nachteilig sind die in der Zellstruktur enthaltenen Chloride, die bei der Verbrennung mit vergasen. Ihre Eisenaffinität bewirken massive Korrosionsreaktionen, die zu Verkrustungen an den Kontaktstellen zwischen Rauchgas und Wärmeübertrager führen. Diese schwächen das Material, verschlechtern die Effizienz, die Wirtschaftlichkeit und die Verfügbarkeit der Anlagen. Nach dem Stand der Technik gibt es verschiedene Methoden, um die Chlor-Korrosion zu begrenzen. Dazu gehören Schutzwerkstoffe, Beschichtungen, Brennstoff-Additive, häufiger Bauteilersatz und die Begrenzung der Temperaturbereiche. Die Biomasseverbrennung wurde in DE 694 02 602 T2 und in DE 198 50 376 C2 ohne Berücksichtigung der problematischen Heißgaskorrosion mittels spezieller Luftführung im Verbrennungsprozess gelöst. In DE 600 15 740 T2 wird eine mit
Biomasse direktbefeuerte Gasturbine vorgeschlagen, was zur Vermischung von
BESTÄTIGUNGSKOPIE Rauchgas und Arbeitsfluid führt und somit die Anwendung einschränkt. Die Korrosionsproblematik findet keine Erwähnung.
Hohe Temperaturen bestimmen aber maßgeblich die Effizienz, weswegen es gut wäre, wenn Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse trotz Chloride im Rauchgas genutzt werden könnte. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, welches das ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 6 gelöst.
Faktoren, die die Wärmeübertragung vom Rauchgas zum jeweiligen Arbeitsfluid bestimmen, sind die Wärme durchgangszahl (k-Zahl), die Heizfläche und die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz, welche maßgeblich die Größe der Heizfläche bestimmt. Um Brennraumtemperaturen über 1300°C zu erzielen, müssen Verbrennungsluft und Biomasse mittels Rauchgas entsprechend vorgewärmt werden. Nach der Aschegrobabscheidung durchströmt das Rauchgas einen Korrosionsfilter, indem leicht austauschbare Opfermetallflächen die Chloride weitestgehend chemisch binden und somit nachfolgende Stufen vor Heißgaskorrosion schützen. In Abhängigkeit des Korrosionsgrades verändert sich der Differenzdruck zwischen Korrosionsfilter Ein- und Austritt und zeigt dadurch den Wartungszustand an. Erst dann erfolgt die Wärmeübertragung vom Rauchgas zum Arbeitsfluid im Erhitzer, Überhitzer oder auch im Verdampfer, wobei die Rauchgas-Austrittstemperatur noch hochgenug sein muss, um die Frischluft bspw. mittels keramischen Rekuperator oder Drehregenerator von Umgebungstemperatur auf bspw. 500°C bis 600°C vorzuwärmen. Dabei kühlt sich das Rauchgas bis auf etwa 200°C ab, wonach es nach der Denox-Stufe in einem Trockner (bspw. Drehrohrtrockner) die Biomasse durch Direktkontakt vorwärmt und trocknet. Die feuchten Rauchgase können je nach Bedarf für Heizzwecke, als Wärmesenke für eine Wärmepumpe oder zur Speisewasser- Vorwärmung noch genutzt werden, bevor sie in die Atmosphäre münden. Je nach Art der Biomasse ist optional ein Zerkleinerer für eine gleichmäßige Schnitzelgröße erforderlich. Förderschnecken beschicken Trockner und Brennraum. Der Frischlüfter sorgt für den erforderlichen Brennluftdruck, um die Strömungswiderstände der einzelnen Stufen zu überwinden.
Mit dieser Lösung kann Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse genutzt werden, da Opfermetallflächen in einem vorgeschalteten Korrosionsfilter die Rauchgaschloride chemisch binden. Im Vergleich zum Aufwand beim Wärmeübertragerwechsel ist der Austausch der Opfermetallflächen gering. Mit Hochtemperaturlegierungen wie Nicrofer 6025 HT oder mit keramischen Plattenwärmetauscher aus Siliziumcarbid lassen sich Arbeitsfluidtemperaturen von über 1000°C erreichen. Die rauchgasseitigen kritischen Temperaturbereiche unterhalb 600°C werden für die Luft- und Brennstoffvorwärmung bzw. Trocknung genutzt, wobei kaum Kontakte mit metallischen Werkstoffen erforderlich sind. Somit ist die Aufgabe gelöst, auch mittels Biomasse Hochtemperaturprozesse betreiben zu können und die Chlor-Korrosion zu unterbinden. Weiterhin bewirkt die vergrößerte Temperaturdifferenz zwischen Rauchgas und Arbeitsfluid eine Verkleinerung der erforderlichen Heizfläche, was den Gesamtaufwand bei guter Effizienz senkt. Sämtliche Rauchgasleitungen (11) werden von Innen ausgekleidet, isoliert und somit geschützt.
Die Figur 1 verdeutlicht die Verschiebung der Verbrennungstemperatur von ca. 900°C auf über 1400°C durch die Maßnahmen starke Luftvorwärmung bis ca. 600°C und Biomassevonvärmung und Trocknung bis ca. 200°C.
In Figur 2 ist das Verfahren zur Nutzung von Biomasse für Hochtemperaturprozesse in der Anwendung mit einer Denox-Stufe dargestellt. Je nach Schnitzelgröße folgt optional die Zerkleinerung (5) der Biomasse zur Beschickung des Brermstoffvorwärmers und Trockners (7) zur Weiterleitung mittels Förderschnecken (6) zum Brennraum (8), in dem die aufbereitete Biomasse mit stark vorgewärmter Frischluft bei ca. 1400°C verbrennt. Der dabei entstehende Rauchgasstrom passiert einen Zyklon zur Aschegrobabscheidung (9), worin die flüssigen Aschepartikel mittels Flieh- und Schwerkraft getrennt und abgeleitet werden. Im nachfolgenden Korrosionsfilter (12) durchströmt das Rauchgas Opfermetallflächen im Austauschmodul (13), um die korrosiven Bestandteile gezielt chemisch zu binden und um weitere kleinere Aschepartikel abzufangen. Dann erst folgt im Wärmeübertrager Arbeitsfluid (14) die Rauchgaskühlung, um das jeweilige Arbeitsmittel in Abhängigkeit vom Hauptverfahren, ob Gasturbinen- oder Dampfkraftprozess, zu erhitzen, zu überhitzen oder zu verdampfen. Der noch hohe Restwärmeanteil bei Austrittstemperaturen von ca. 600°C wird durch die Frischlufterhitzung im Luftvorwärmer (15), durch die Biomassevorbehandlung im Brennstoffvorwärmer und Trockner (7) und optional durch die Wärmeauskopplung oder Speisewasservorwärmung in der Rauchgaskühlung (20) regeneriert. Die Entfernung der Stickoxide aus dem Rauchgas übernimmt eine nach dem Stand der Technik bekannte Denox-Stufe (19).
In Figur 3 ist das Verfahren zur Nutzung von Biomasse für Hochtemperaturprozesse in der Anwendung mit Rauchgasrückführung zur Stickoxidminderung dargestellt. Das Verfahren verläuft analog dem der Figur 2, jedoch befindet sich zwischen dem Luftvorwärmer (15) und dem Brennstoffvorwärmer und Trockner (7) keine Denox-Stufe. Die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide werden durch Rezirkulation der Rauchgase gemindert, da die nochmalige Verweildauer im Hochtemperaturbereich die Stickoxidbildung statistisch mindert. Die vom Frischlüfter (17) geförderte und verdichtete Brennluft gelangt nach dem Luftvorwärmer (15) durch die Frischluftleitung (18) zum Injektor (23), der einen Teilrauchgasstrom über die Beimischleitung (22) nach dem Wärmeübertrager Arbeitsfluid (14) ansaugt und diesen zum Brennraum (8) zurück führt. Mit dieser Variante lassen sich besonders in kleineren Leistungsbereichen die Emissionsgrenzwerte mit moderatem Aufwand einhalten.
Fig. 1 Temperaturschaubild des Verfahrens zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse
Fig. 2 Blockschaltbild des Verfahrens zur Nutzung von Biomasse für Hochtemperaturprozesse in der Anwendung mit einer Denox-Stufe
Fig. 3 Blockschaltbild des Verfahrens zur Nutzung von Biomasse für Hochtemperaturprozesse in der Anwendung mit Rauchgasrückführung
Verfahren zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse und deren Anwendung
Bezugszeichenliste
a Temperaturbereich Luftvorwämung
b Temperaturbereich Rauchgasabkühlung für Luftvorwärmung
c Temperaturbereich Arbeitsfluiderwärmung
d Temperaturbereich Rauchgasabkühlung für Arbeitsfluiderwärmung
e Temperaturbereich Biomassevorwärmung und Trocknung
f Temperaturbereich Rauchgasabkühlung für Biomassevorwärmung und
Trocknung
1 Verbrennungstemperatur Neues Verfahren
2 Bereich der Verbrennungstemperatur-Erhöhung
3 Verbrennungstemperatur Stand der Technik
4 Biomassezuführung
5 Zerkleinerung (optional)
6 Förderschnecken
7 BrennstoffVorwärmer und Trockner
8 Brennraum
9 Aschegrobab Scheidung
10 Ascheabfuhr
11 Rauchgasleitung
12 Korrosionsfilter
13 Opfermetallflächen im Austauschmodul Wärmeübertrager Arbeitsfluid Luftvorwärmer
Frischluftzufuhr
Frischlüfter
Frischluftleitung
Denox-Stufe
Rauchgaskühlung (optional) Rauchgasaustritt
Beimischleitung
Injektor

Claims

Verfahren zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse und deren Anwendung Patentansprüche
1. Verfahren zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse, bestehend aus optional Zerkleinerung (5), Brermstoffvorwärmer und Trockner (7), Brennraum (8), Aschegrobabscheidung (9), Korrosionsfilter (12), Wärmeübertrager Arbeitsfluid (14), Luftvorwärmer (15), optional Denox-Stufe (19), optional Injektor (23) mit Beimischleitung (22) und optional Rauchgaskühler (20) dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse bis zur Verbrennung optional die Zerkleinerung (5) durchläuft und mittels Rauchgase aus dem Luftvorwärmer (15) bzw. optional aus der Denox-Stufe (19) im Brennstoffvorwärmer und Trockner (7) vorbehandelt wird, um diese im Brennraum (8) mit der vom Frischlüfter (17) geförderten im Luftvorwärmer (15) hocherhitzten Frischluft bei hohen Temperaturen zu verbrennen, wobei das entstehende Rauchgasvolumen erst nach der Aschegrobabscheidung (9) und dem passieren des Korrosionsfilters (12) im Wärmeübertrager Arbeitsfluid (14) beim durchströmen seine Energie überträgt, bevor der größte Teil der Restwärme im Luftvorwärmer (15) und im Brermstoffvorwärmer und Trockner (7) regeneriert.
2. Verfahren zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Korrosionsfilter (12) Opfermetallflächen im Austauschmodul (13) für die chemische Bindung der korrosiven Bestandteile im Rauchgas zum Schutz nachfolgender Stufen angeboten werden.
3. Verfahren zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Opfermetallflächen im Austauschmodul (13) ohne größere Betriebsunterbrechung in Abhängigkeit des Verschmutzungsgrades und des Differenzdruckes zwischen Korrosionsfilter (12) Ein- und Austritt durch Vorfertigung gewechselt werden kann.
4. Verfahren zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Opfermetallflächen im Austauschmodul (13) aus unedleren Metallen bestehen, die bereitwillig mit den korrosiven Bestandteilen des Rauchgases reagieren, dabei die Kontaktflächen vergrößern und zusätzlich Flugasche filtern.
5. Verfahren zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass neben einer gängigen Denox-Stufe (19) auch die Stickoxidminderung durch Rauchgasrezirkulation erreicht wird, in dem die vom Frischlüfter (17) geförderte und verdichtete Brennluft nach dem Luftvorwärmer (15) durch die Frischluftleitung (18) zum Injektor (23) gelangt, der einen Teilrauchgasstrom über die Beimischleitung (22) nach dem Wärmeübertrager Arbeits fluid (14) ansaugt und diesen zum Brennraum (8) zurückfuhrt.
6. Verfahren zur Nutzung von Biomasse auch für Hochtemperaturprozesse nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass optional der hohe Wasserdampfanteil durch die Biomassetrocknung im Rauchgas vom Brennstoffvorwärmer und Trockner (7) kommend im Rauchgaskühler (20) zur optimalen Nutzung des Heizwertes für diverse Heizzwecke kondensiert wird.
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