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 C0 ₂ neutral verbrennt, da die Assimilation der Photosynthese C0 ₂ 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