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Dokumentenidentifikation DE102005045166A1 03.05.2007
Titel Verfahren zur Erzeugung thermischer Energie mit einem FLOX-Brenner
Anmelder Fachhochschule Bingen, 55411 Bingen, DE
Erfinder Sehn, Winfried, Prof. Dr.-Ing., 55411 Bingen, DE;
Gerber, Helmut, Dipl.-Ing. (FH), 55122 Mainz, DE
Vertreter Patentanwälte BECKER & AUE, 55411 Bingen
DE-Anmeldedatum 21.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005045166
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse F23G 7/10(2006.01)A, F, I, 20060829, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F23D 14/00(2006.01)A, L, I, 20060829, B, H, DE   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur Erzeugung thermischer Energie mit einem Brenner (1), in dem eine flammlose Oxidation eines aus einer Biomasse, insbesondere aus Getreide und/oder halmartigen Energieträgern, gewonnenen Gases stattfindet, wird die Biomasse einem Pyrolysereaktor (5) zugeführt und das in dem Pyrolysereaktor gewonnene Gas dem Brenner (1) zugeleitet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung thermischer Energie mit einem Brenner, in dem eine flammlose Oxidation eines aus einer Biomasse, insbesondere aus Getreide und/oder halmartigen Energieträgern, gewonnenen Gases stattfindet, und eine Vorrichtung dazu.

Um dem dezentralen Bedarf und der dezentralen Verfügbarkeit von Biomasse gerecht zu werden, ist besonderer Wert auf Energieanlagen mit kleiner Leistung zu legen. Die energetische Nutzung von Getreide und halmgutartigen Bioenergieträgern ist für kleine Leistungsklassen, beispielsweise kleiner 150 kWth, derzeit in der Praxis nicht gelöst. Aktuelle Entwicklungen auf diesem Sektor zeigen, dass übliche Verbrennungsverfahren hinsichtlich einer optimalen Energienutzung und geringst möglicher Abgasemissionen nicht den speziellen Anforderungen des Brennstoffes gerecht werden. Insbesondere die Nutzung von Getreide und halmgutartigen Bioenergieträgern bereitet hier Probleme, da im Vergleich zu anderen Biomassen, wie beispielsweise Holz, brennstoffbedingt höhere Stickoxidemissionen und Staubemissionen zu erwarten sind.

Bei der Verbrennung von halmgutartigen Brennstoffen und Getreide gibt es signifikante Unterschiede zur Verbrennung von Holzbrennstoffen. Hier sind insbesondere der ca. zehnmal höhere Aschegehalt sowie der vielfach höhere Gehalt an Stickstoff und Chlor zu nennen. Diese Elemente sind bei der Verbrennung für die Bildung von Luftschadstoffen verantwortlich. Da die Staubemissionen einer Feststofffeuerung eng mit dem Aschegehalt des eingesetzten Brennstoffes korrelieren, sind auch hier deutlich höhere Emissionen zu erwarten. Hohe Chlorgehalte begünstigen in Verbindung mit einer ungünstigen Temperaturführung, beispielsweise einer zu geringen Feuerungstemperatur oder einer zu langsamen Abkühlung, und einem unvollständigem Ausbrand eine De-Novo-Synthese von hochtoxischen organischen Chlorverbindungen, wie Dibenzodioxinen und Dibenzofuranen (PCDD/F). Die im Vergleich niedrige Erweichungstemperatur der gebildeten Aschen macht eine speziell entwickelte Verbrennungstechnik erforderlich, um Ascheanhaftungen und damit eine Störung des kontinuierlichen Dauerbetriebes einer Feuerung zu verhindern.

Der Focus in der Entwicklung von Biomassevergasern lag in den vergangenen Jahren allgemein in einer Erzeugung von teerfreiem Synthesegas aus Holzbrennstoffen, das nach dem Durchlaufen einer mehr oder weniger aufwändigen Gasreinigung in einem Verbrennungsmotor verbrannt wird. Trotz großer Anstrengungen ist die Teerproblematik bei der Verwertung von Biomasse mit einem Verbrennungsmotor nicht hinreichend gelöst. Die in einem Gas enthaltenen Teerbestandteile können wesentliche Aggregate des Verbrennungsmotors, wie z. B. einen Turbolader, Ladeluftkühler oder Ventile, im Betrieb zerstören. Wegen des relativ geringen Heizwertes des so genannten Rohgases gegenüber Erdgas, muss bei der Gasaufbereitung das Rohgas gekühlt werden, um den Füllungsgrad im Verbrennungsmotor oder einer Turbine zu steigern. Bei der Kühlung des Rohgases vor der Gasreinigung wird thermodynamisch vorhandene Energie zunichte gemacht, was sich negativ auf die energetische Gesamtbetrachtung auswirkt. Durch den hohen technischen Aufwand für die Rohgasaufbereitung kommen aus wirtschaftlichen Gründen nur große Anlagen mit mehr als 5 MW Wärmeleistung in Frage. In diesem Leistungsbereich können auch aufwändige Vergasungsverfahren, wie die zirkulierende Wirbelschicht (UMSICHT) oder die Flugstromvergasung (CHOREN), realisiert werden. Diese großen installierten Leistungen widersprechen aber der vorteilhaften dezentralen Nutzung von Biomasse, da zum einen die Anlagen nur dort wirtschaftlich betrieben werden können, wo viel Biomasse anfällt oder die Anfahrwege kurz sind und somit geringe Transportkosten entstehen, da die Energiedichte von Biomasse im Vergleich zu anderen Energieträgern (z.B. Erdöl) relativ gering ist, und zum anderen erweist es sich als problematisch, die anfallende Wärme bei dem ohnehin vorhandenen Wärmeüberschuss (elektrische Wirkungsgrade ca. 10–25%) an einem Standort sinnvoll zu nutzen, was sich letztendlich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad auswirkt.

Aus der Praxis bekannte Biomassevergaser mit Leistungen unter 1 MWth sind durchweg Festbettvergaser, die, bedingt durch ihr Funktionsprinzip, in der Brennstoffauswahl stark eingeschränkt sind. Hier kommen meist speziell konditionierte Holzsortimente zum Einsatz, die bezüglich der Holzart, Stückigkeit, des Aschegehaltes, des Wassergehaltes etc., sehr engen Toleranzen unterworfen sind. Ein Einsatz von Getreide und halmgutartigen Biomassen ist in diesen Anlagen nicht möglich. Das Vergasungsgut wird im Vergaser allein durch Gravitationskräfte bewegt, wodurch es bei Abweichungen von der idealen Brennstoffbeschaffenheit und -zusammensetzung leicht zu Betriebsstörungen durch Brückenbildung und Verschlackung kommt.

Die DE 101 13 595 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärmeenergie durch Verbrennen eines Getreides, dem vor seiner Verbrennung Energie, insbesondere Wärmeenergie, in einer Brennkammer zugeführt wird, um aus dem Getreide Popcorn zu bilden.

Im Weiteren ist aus der Praxis das so genannte FLOX-Verfahren bekannt, bei dem eine Oxidation eines Brennstoffes überwiegend bzw. vollständig flammlos erfolgt. Bei der flammlosen Oxidation werden durch eine hohe Abgas/Luft-Vormischung Spitzentemperaturen in der Flamme vermieden und eine thermische Stickoxidbildung (NOx), auch bei einer hohen Luftvorwärmung, fast vollständig unterdrückt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem bzw. der eine thermische Verwertung von problematischen Biomassen in einem Brenner einer verhältnismäßig geringen Leistungsklasse schadstoffarm zu realisieren ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren dadurch gelöst, dass die Biomasse einem Pyrolysereaktor zugeführt und das in dem Pyrolysereaktor gewonnene Gas dem Brenner zugeleitet wird.

Aufgrund dieser Maßnahmen findet eine Energieumwandlung bzw. die Gewinnung thermischer Energie aus Biomasse statt, die insbesondere bei Brennern mit einer verhältnismäßig geringen Leistung, beispielsweise unter 150 kWth, bevorzugt bis ca. 50 kWth, Anwendung findet, wobei mit der so genannten FLOX-Feuerung, nach dem der Brenner arbeitet, eine Reduktion der Emissionen einhergeht, da durch die interne Abgasrezirkulation im FLOX-Brenner die Spitzentemperatur der Feuerung herabgesetzt und damit die Bildung von thermischen NOx verhindert wird. Die Biomasse, beispielsweise Getreide und/oder halmartige Energieträger, werden bei ca. 500°C pyrolysiert und es entsteht Pyrolysegas, das in die Flox-Feuerung gelangt. Durch die Pyrolyse werden ca. 70 % des Energieinhaltes der eingesetzten Biomasse, bzw. ca. 85 % der eingesetzten Brennstoffmasse (bei lufttrockenem Brennstoff) in Biogas umgewandelt, wodurch eine wirtschaftliche Energieumwandlung gegeben ist, die dem dezentralen Bedarf und der dezentralen Verfügbarkeit von Biomasse gerecht wird.

Bevorzugt wird der Pyrolysereaktor außenseitig mit dem Abgas des Brenners beaufschlagt. Vorzugsweise wird mit dem Abgas des Brenners dessen Verbrennungsluft vorgewärmt. Damit wird die thermische Energie des Abgases sinnvoll dem Verfahren und nicht nutzlos der Umgebung zugeführt.

Um das Verfahren zu automatisieren, wird zweckmäßigerweise der Pyrolysereaktor kontinuierlich mit Biomasse, vorzugsweise Getreide und/oder halmartige Energieträger, beschickt.

In Ausgestaltung wird ein in dem Pyrolysereaktor anfallender Biokoks einer energetischen Verwertung zugeführt. Der Biokoks fällt als Nebenprodukt bei dem Pyrolyseprozess aus und kann z.B. zur Kohleverflüssigung weiter energetisch verwertet werden, um die in der Regel eingesetzte fossile Kohle durch regenerativ erzeugte Kohle mit deutlichem CO2-Vorteil zu ersetzen.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Erzeugung thermischer Energie mit einem Brenner, in dem eine flammlose Oxidation eines aus einer Biomasse, insbesondere aus Getreide und/oder halmartigen Energieträgern, gewonnenen Gases stattfindet, insbesondere zur Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Brenner mit einem Pyrolysereaktor zur Erzeugung des Gases über eine Gasleitung verbunden ist.

Somit ist eine Vorrichtung realisiert, die bei geringen Schadstoffemissionen die Gewinnung thermischer Energie aus einer Biomasse sicherstellt. Durch die direkte thermische Verwertung des Gases, nämlich des Pyrolysegases, kann auf eine Gasreinigung und eine den Wirkungsgrad der Vorrichtung mindernde Gaskühlung verzichtet werden.

Bevorzugt weist der Pyrolysereaktor in seinem Inneren zwei ineinander kämmende Schnecken auf. Zweckmäßigerweise sind die Schnecken mit einem Elektromotor gekoppelt. Die beiden ineinander kämmenden Schnecken verhindern Anbackungen der Biomasse und bewirken den Transport sowie die Durchmischung der Biomasse in dem Pyrolysereaktor.

Nach einer Weiterbildung ist der Pyrolysereaktor zur Bildung eines Zwischenraums doppelwandig ausgebildet, wobei der Zwischenraum über eine Abgasleitung mit dem Brenner verbunden ist. Die thermische Energie des in dem durch die Oxidation in dem Brenner erwärmten Abgases wird demnach dem Pyrolyseprozess zur Verfügung gestellt.

Vorzugsweise ist in die Abgasleitung ein Wärmetauscher zur Vorwärmung von Verbrennungsluft eingesetzt. Damit lässt sich ein Großteil der thermischen Energie des Abgases einer Verwertung zuführen.

Zweckmäßigerweise steht der Pyrolysereaktor mit einem Vorratsbehälter für die Biomasse in Verbindung. Um einen kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung zu ermöglichen, ist vorteilhafterweise der Pyrolysereaktor unter Zwischenanordnung einer gasdichten Dosiereinrichtung mit dem Vorratsbehälter verbunden. Die Dosiereinrichtung ist selbstverständlich derart gasdicht ausgebildet, dass bei einer Beschickung des Pyrolysereaktors mit Biomasse aus dem Vorratsbehälter kein Pyrolysegas aus dem Pyrolysereaktor in den Vorratsbehälter gelangt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Pyrolysereaktor mit einer Entnahmeeinrichtung für Biokoks versehen. Die Entnahmeeinrichtung kann einen Sammelbehälter umfassen, der in gewissen Zeitabständen bei einer Außerbetriebnahme der Vorrichtung geleert wird oder ist zur kontinuierlichen Abfuhr des bei der Pyrolyse der Biomasse anfallenden Biokokses ausgeführt.

Da die FLOX-Feuerung auf einem verhältnismäßig hohen Temperaturniveau arbeitet, ist zur Umwandlung der thermischen Energie in mechanische Energie bevorzugt der Brenner mit einem Stirlingmotor gekoppelt. Der Stirlingmotor kann zur Erzeugung elektrischer Energie einen Generator antreiben.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Rusführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Die einzige Fig. der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Vorrichtung zur Erzeugung thermischer Energie umfasst einem Brenner 1, in dem eine flammlose Oxidation eines aus einer Biomasse gewonnenen Biogases stattfindet. Die für die Oxidation erforderliche Verbrennungsluft gelangt, wie durch den Pfeil 16 angedeutet, über einen von einem Abgas des Brenners 1 durchströmten Wärmetauscher 2 vorgewärmt durch einen Einlass 3 in den Brenner 1 und das Abgas wird über eine Abgasleitung 13 einem Zwischenraum 4 eines doppelwandigen Pyrolysereaktors 5 für die Pyrolyse der Biomasse zur Erzeugung des über eine Gasleitung 6 in den Brenner 1 geleiteten Gases zugeführt, wobei das Abgas den Zwischenraum 5 des Pyrolysereaktors 5 durch den Auslass 7 verlässt. In seinem Inneren weist der Pyrolysereaktor 5 zwei ineinander kämmende Schnecken 8, 9 auf, die von einem Elektromotor 10 angetrieben werden. Die Schnecken 8, 9 verhindern zum einen Anbackungen der Biomasse innerhalb des Pyrolysereaktors 5 und bewirken zum anderen den Transport sowie die Durchmischung der Biomasse in dem Pyrolysereaktor 5. Zur Gewährleistung einer anforderungsabhängigen Zuführung von Biomasse, beispielsweise Getreide und/oder halmartigen Energieträgern, ist der Pyrolysereaktor 5 unter Zwischenanordnung einer gasdichten Dosiereinrichtung 11 mit einem Vorratsbehälter 12 für die Biomasse verbunden. Der bei der Pyrolyse der Biomasse anfallende Biokoks wird über eine Entnahmeeinrichtung 14 dem Pyrolysereaktor 5 entnommen und kann einer weiteren Verwertung zugeführt werden. Zur weiteren Nutzung der durch den Brenner 1 aus dem Pyrolysegas erzeugten thermischen Energie findet eine durch den Pfeil 15 angedeutete Wärmeauskopplung statt. Der Brenner 1 kann beispielsweise zur Umwandlung der thermischen Energie in mechanische Energie mit einem Stirlingmotor verbunden sein, der wiederum einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreiben kann.

Die Vorrichtung ist beispielsweise in einem Leistungsbereich bis zu 50 kWth einsetzbar, in dem aus wirtschaftlichen Gründen Sekundärmaßnahmen zur Reduktion von Stickstoffoxiden ausscheiden. Die Reduktion der Emissionen erfolgt durch gezielte Eingriffe in den Feuerungsprozess. Hierbei bietet die Anwendung des nach dem so genannten FLOX-Verfahren (Flammlose Oxidation) arbeitenden Brenners beispielsweise die Möglichkeit, durch die interne Abgasrezirkulation im Brenner 1 die Spitzentemperatur der Feuerung herabzusetzen und so die Bildung von thermischen Stickstoffoxiden zu verhindern. Im Weiteren ist die Vorrichtung einsetzbar, um dem dezentralen Bedarf und der dezentralen Verfügbarkeit von Biomasse gerecht zu werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur Erzeugung thermischer Energie mit einem Brenner (1), in dem eine flammlose Oxidation eines aus einer Biomasse, insbesondere aus Getreide und/oder halmartigen Energieträgern, gewonnenen Biogases stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse einem Pyrolysereaktor (5) zugeführt und das in dem Pyrolysereaktor gewonnene Gas dem Brenner (1) zugeleitet wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolysereaktor (5) außenseitig mit dem Abgas des Brenners (1) beaufschlagt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Abgas des Brenners (1) dessen Verbrennungsluft vorgewärmt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolysereaktor (5) kontinuierlich mit Biomasse, vorzugsweise Getreide und/oder halmartige Energieträger, beschickt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Pyrolysereaktor (5) anfallender Biokoks einer energetischen Verwertung zugeführt wird. Vorrichtung zur Erzeugung thermischer Energie mit einem Brenner (1), in dem eine flammlose Oxidation eines aus einer Biomasse, insbesondere aus Getreide und/oder halmartigen Energieträgern, gewonnenen Gases stattfindet, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (1) mit einem Pyrolysereaktor (5) zur Erzeugung des Gases über eine Gasleitung (6) verbunden ist. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolysereaktor (5) in seinem Inneren zwei ineinander kämmende Schnecken (8, 9) aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecken (8, 9) mit einem Elektromotor (10) gekoppelt sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolysereaktor (5) zur Bildung eines Zwischenraums (5) doppelwandig ausgebildet ist, wobei der Zwischenraum (4) über eine Abgasleitung (13) mit dem Brenner (1) verbunden ist. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasleitung (13) ein Wärmetauscher (2) zur Vorwärmung von Verbrennungsluft eingesetzt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolysereaktor (5) mit einem Vorratsbehälter (12) für die Biomasse in Verbindung steht. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolysereaktor (5) unter Zwischenanordnung einer gasdichten Dosiereinrichtung (11) mit dem Vorratsbehälter (12) verbunden ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Pyrolysereaktor (5) mit einer Entnahmeeinrichtung (14) für Biokoks versehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (1) mit einem Stirlingmotor gekoppelt ist.






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