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Dokumentenidentifikation DE102005004082B4 26.06.2008
Titel Verfahren und Anlage zur thermischen Entsorgung und/oder Nutzung von unterschiedlichen Stoffen mittels stationärer Wirbelschichtfeuerungsanlagen für kleine Leistungen mit integrierter Nutzung der Abgasenergie
Anmelder Energy Systems & Solutions GmbH, 18069 Rostock, DE
Erfinder Spiegelberg, Volker, Dipl.-Ing., 18055 Rostock, DE
Vertreter Kappner, K., Dipl.-Ing. (FH), Pat.-Anw., 18059 Rostock
DE-Anmeldedatum 28.01.2005
DE-Aktenzeichen 102005004082
Offenlegungstag 10.08.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.06.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.06.2008
IPC-Hauptklasse F23G 5/30(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F23G 5/46(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F23G 5/50(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entsorgung und/oder Nutzung von unterschiedlichen Brennstoffen oder Entsorgungsgütern. Dabei werden schadstoffentlastete Abfall- und Reststoffe sowie nicht schadstoffbelastete Stoffe in einer stationären Wirbelschichtfeuerungsanlage kleiner Leistung (in Folge SWkLW bezeichnet) unter Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie durch Umwandlung zu Wärme und/oder Elektroenergie thermisch entsorgt.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Wirbelschichtfeuerungsanlagen (WSF) werden bisher industriell ausschließlich als Anlagen mit Leistungen deutlich größer 30 MW Leistung ausgeführt. Diese Anlagen werden seit vielen Jahren zur Nutzung z. B. von Braunkohlen- oder Ölschiefervorkommen und auch zur Entsorgung von festen Abfällen eingesetzt.

Solche Anlagen, in denen gasförmige Stoffe entsorgt und/oder genutzt werden, gibt es bisher nur in einem Falle zur Entsorgung von Deponiegas (DE 199 39 390 A1), über deren Entwicklungsstand erfindungsgemäß deutlich hinausgegangen werden soll.

Eine WSF arbeitet auf der Grundlage eines tragenden fluidisierten Materialbettes aus losem Inertmaterial mit einer flammenlosen Verbrennung. Als Inertmaterial findet vorrangig Quarzsand Verwendung, der durch einen erhitzten Gasstrom (zumindestens in der Anfahrphase) und vertikal aufsteigenden Primärluftstrom in einem Reaktionsraum bei einer definierten Betriebstemperatur von mindestens 850°C fluidisierend verwirbelt wird. In das aufgeheizte und fluidisierte Sandbett wird dann das zu entsorgende Material als Brennstoff in den Reaktionsraum eingetragen und in dieser Wirbelschicht flammenlos verbrannt.

Feste Brennstoffe werden entweder von oben auf die Wirbelschicht gegeben, wo sie wegen ihrer größeren Dichte in die fluidisierende Schicht eintauchen, oder der Brennstoff wird mittels einer Eintragsvorrichtung direkt in die fluidisierte Schicht eingebracht. Durch gleichzeitige dosierte Zugabe von Additiven (z. B. gemahlener Kalkstein) wird bei der Verbrennung freigesetztes SO2 chemisch gebunden und durch eine Luftstufung eine Senkung der CO- und NOx-Emissionen ermöglicht.

Die vorgenannten Emissionsbelastungen werden maßgeblich von den Prozeßparametern der Verbrennungsreaktion beeinflusst, wie Temperatur, Konzentration, Reaktionsverlauf und Verweilzeit.

In großen WSF-Anlagen können diese Parameter relativ problemlos genutzt werden, so dass eine breite Brennstoffpalette als auch größere Brennstoffkörner bis ca. 40 mm Durchmesser verarbeiten werden können. Eine wesentliche Voraussetzung für eine vollständige Verbrennung eines Brennstoffes bildet hierbei die variable Gestaltung der erforderlichen Verweilzeit in der WSF. Sie wird durch die Variation der Ruhe-Schichthöhe beeinflusst. Bei längeren erforderlichen Verweilzeiten ist eine größere Ruhe-Schichthöhe vorzugeben. Das hat zur Folge, dass der bei der Fluidisation zu überwindende Druckverlust eine überproportionale Gebläseleistung erforderlich macht, die im erheblichen Maße die Betriebskosten der Anlage belastet. Darüber hinaus sind Laständerungen während des Prozeßablaufes der WSF problemlos möglich, was eine gewisse Sorgfalt in der kontinuierlichen prozeßorientierten Einstellung auf sich ändernde Brennstoffqualitäten, insbesondere den Wechseln zwischen unterschiedlichen Brennstoffen erfordert.

Der Heizwert eines Brennstoffes mit selbständiger Verbrennung ist nach unten begrenzt. Eine Unterschreitung des Grenzwertes macht die Zufeuerung eines höherwertigen Brennstoffes oder eine intensive Luftvorwärmung erforderlich. Für schwer verbrennbare Stoffe kommt daher vorrangig die zirkulierende WSF (ZWSF) zum Tragen. Bei diesem System wird bewusst der Austragungspunkt des Bettmaterials überschritten. Die aufgewirbelten unverbrannten Brennstoffteile werden über einen Zyklonabscheider abgefangen und im unteren Bereich der WSF-Schicht wieder dem Verbrennungsprozess zugeführt. Dieses System erfordert einen erheblichen Mehrbedarf an Bettmasse und ist technisch sehr aufwendig. Neben einer höheren Verfahrens-Geschwindigkeit ist der Einsatz eines Zyklons für die Abscheidung und Zurückführung des aufgewirbelten und nicht vollständig verbrannten Materials notwendig.

Bezugsbasis für die Ausführung der Erfindung bilden hierbei die DE 198 59 052 C2, DE 198 59 053 C2, DE 199 18 927 A1, DE 199 18 928 A1 und DE 199 39 390 A1 für die insofern eine Angrenzung vorzunehmen ist, da jede dieser Lösungen im Einzelnen die mit der Erfindung verfolgte globale Zielstellung nicht erreicht.

Zur Analyse und Steuerung vorbeschriebener Prozessabläufe sind weiterhin Steuersysteme bekannt, die auf Aussteuerung der inneren prozessspezifischen Abläufe in Rahmen eines Soll-Ist-Vergleiches unter Einbeziehung einzelner spezifischer Modelle (Prozessmodelle) ausgerichtet sind. Derartige Prozessmodelle werden in EP 0 452 616 B1 (DE 40 07 635 C1), WO 03/102 472 A1, US 2004/0 182 003 A1, US 2004/0 159 366 A1 beschrieben.

Zur Anlageoptimierung einer stationären Wirbelschichtanlage werden auch Steuerprogramme eingesetzt. Mittels Leittechnik- und Steuersoftware wird so über Fernwartung, SMS-Störmeldeversand und durchgängigem Bedienkonzept eine vollautomatische Biogasproduktion erreicht (Fraunhofer Institut Umwelt-, Sicherheits, Energietechnik; Umsicht-Jahresbericht 2003, S.49).

Für die Simulation einzelner Prozesse werden auch vorgeprägte Modellelemente (s. BEITZ, W.; GROTE, K.-H.; Taschenbuch für Maschinenbau/Dubbel; u. a. Berlin: Auflage 20, 2001, Y8) eingesetzt.

Bei diesen inneren Verfahrensabläufen bleiben die Ausgangsparameter der Einsatzstoffe im Wesentlichen unberücksichtigt. Eine kontinuierliche Analyse ihrer Qualität als integraler Bestandteil einer Prozesssteuerung durch einen Soll-Ist-Vergleich, insbesondere ihrer physikalischen Parameter und chemischen Eigenschaften erfolgt nicht. Damit wird die Variabilität einer stationären Wirbelschichtverbrennungsanlage erheblich eingeschränkt. Unter diesen Bedingungen würde eine SWkLW wegen der hohen Sensibilität durch die geringen Brennstoff- und Inertmaterialmassen nicht wirtschaftlich zu betreiben sein. Ebenso ist die Möglichkeit des Einsatzes unterschiedlicher Brennstoffe im Einzelnen, als Brennstoffmix oder die Entsorgung unterschiedlich schadstoff- und nicht schadstoffbelasteter Abfall- und Reststoffe eingeschränkt.

Das Ziel und die Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verfahren und die dazu notwendigen anlagetechnischen Voraussetzungen zu entwickeln, in dem zur Nutzung und/oder Entsorgung von Stoffen im Bereich kleiner Leistung für dezentrale Entsorgungs-, oder Energienutzungsanlagen das Verfahren der stationären Wirbelschichtfeuerung kleiner Leistung mit integrierter Wärmenutzung zur Anwendung kommen soll.

Zugleich verfolgt die Erfindung das Ziel einer den Bedingungen der 17. BlmschV (Bundes-Immissionschutz-Verordnung) entsprechenden und somit umweltverträglichen Verbrennung von Stoffen in einer SWkLW.

Nur unter Einhaltung dieser und weiterer Bedingungen kann eine erfindungsgemäß vorgesehene SWkLW für relativ kleine Leistungsbereiche konzipiert werden.

Ein weiteres wesentliches Ziel der Erfindung ist es, in SWkLW unter atmosphärischen oder druckaufgeladenen Bedingungen mit anlagenspezifisch definierter (relativ niedriger) Bett-Betriebsschichthöhe sicherzustellen, dass eine vollständige Verbrennung des gesamten Brennstoffes erreicht wird. Das wiederum ist die Basis für eine den Emissionsvorschriften entsprechende Abgasqualität und eine damit maximal mögliche Nutzung des Energieinhaltes der Abgase.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt. Die verfahrensgemäß eingesetzte SWkLW besteht aus folgenden Kernelementen:

  • – physikalisch-chemisches Modell
  • – Reaktorkörper mit Inertmaterial
  • – Katalysatoren, anlagenspezifisch
  • – Düsenboden
  • – Freeboard mit Additivdosierung
  • – Stützenfundament
  • – definierten Anzahl von Gebläsen
  • – Mess- und Datentransfersystemen
  • – elektronischer Steuerung
  • – Abgasführung mit Zyklon(en), Filtern
  • – System zur Abgasnutzung bestehend aus

    + interner Wärmernutzung

    + externer Wärmenutzung
  • – Fernüberwachungs-, Analyse- und Steuerungssystem
  • – optionale Bettheizflächen

Erfindungsgemäß ist die Ausarbeitung des für die jeweilige reale Anlage erforderlichen physikalisch-chemischen Modells die Ausgangsbasis sowohl für die Auslegung als auch für den verfahrensgemäßen Betrieb einer solchen SWkLW.

In diesem Modell werden solche anlagenspezifischen oder vorgegebenen physikalischen Größen wie Verbrennungstemperatur, Brennstoffmenge, Abgastemperatur und Abgaszusammensetzung in Verbindung gebracht mit dem Heizwert des Brennstoffs oder der Brennstoffgemische, der Zusammensetzung des Brennstoffs und weiteren Informationen, wie Standortdaten, Betriebszeit u. dgl.. Daraus werden dann die Anlagenparameter, wie Durchmesser, Höhen, Gewichte, Wärmeleistungen, Wärmeabführungen, Frischluftbedarf, Zusammensetzung und Menge des Inertmaterials, Sauerstoffüberschuss, Einsatzstoff erforderliche Verweilzeit, interner Wärmebedarf (Prozeßwärme), Betriebsgeschwindigkeit der SWkLW, Isolierungen, Abgasvolumenstrom unter Einbeziehung manuell einzugebender Größen wie z. B. Wirkungsgraden ermittelt.

Des Weiteren werden in dem Modell die zur Einhaltung der Abgasgrenzwerte oder bei anderen Prozessen erforderlichen chemischen Reaktionsbedingungen bei der Verwendung von Additiven oder sonstigen chemisch reagierenden Stoffen in der SWkLW einzusetzenden oder sich ergebenden Mengen ermittelt. Als Beispiel werden bei einem gegebenen SO2-Anteil in einem Methan-Brenngas die erforderliche Additivmenge Ca(OH)2 ermittelt und die nach der Reaktion anfallende Menge an Gips-Anhydrid (CaSO4) bestimmt.

Dieses physikalisch-chemische Modell ist somit eine reproduzierbare Einzelfalllösung.

Erfindungsgemäß werden grundsätzlich alle Brennstoffe in die fluidisierte Schicht eingetragen. In Abhängigkeit des verwendeten Brennstoffs, der SWkLW-Größe und der Betriebsgeschwindigkeit im Reaktor kann dieser Eintrag in unterschiedlicher Höhe der SWkLW erfolgen.

Grundsätzlich erfolgt der Eintrag bis zu einer maximal Höhe von 90% des ruhenden Wirbelbettes. Bei SWkLW mit Reaktordurchmessern geringer als 1 m ist zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit der unterschiedlichen Eintragsvorrichtungen ihre Anordnung innerhalb dieser Eintragshöhe erforderlich. In Abhängigkeit der realen Anlage ist die konkrete Einbauhöhe einer Eintragsvorrichtung über das zur Auslegung einer SWkLW erfindungsgemäß vorgesehene physikalisch-chemische Modell anlagenspezifisch zu ermitteln. Damit ist die Gewähr gegeben, dass der gesamte Verbrennungsvorgang innerhalb der fluidisierten Schicht stattfindet. Die aktive Betriebsschichthöhe sollte für eine effiziente betriebsweise einer SWkLW in einem Bereich von 60 cm bis 550 cm liegen.

In Abhängigkeit der konstruktiv vorgegebenen Einbauhöhe und damit bedingten Fluidisation der Brennstoffart als auch der Geometrie der zu verbrennenden Partikel soll die Verfahrens- und SWkLW-typische Verweilzeit im Bereich von 2 bis zu 13 Sekunden innerhalb des Reaktorraumes und des Freeboards liegen.

Ein weiteres verfahrensgemäßes Merkmal der Erfindung sieht vor, dass durch den Einsatz des o. g. physikalisch-chemischen Modells für eine reale Anlage mit realen Brennstoffen oder Entsorgungsgütern (Menge und Art) der gesamte Verbrennungsprozess und daraus folgend die Abmessungen der Anlage, deren Betriebsverhalten, der Störgrößenausgleich und weitere Parameter anlagenspezifisch ausgelegt werden kann. Diese Auslegung ist auch eine Funktion der am jeweiligen Anlagenstandort vorhandenen oder vorgegebenen Bedingungen. Dieses Modell dient weiterhin dazu, die Grundlagen der jeweiligen anlagenspezifischen elektronischen Steuerung abzubilden und somit die Übereinstimmung zwischen der beabsichtigten Zielstellung der SWkLW und deren realer Auslegung sicherzustellen.

Ein weiteres verfahrensgemäßes Merkmal besteht darin, dass auch bei der gleichzeitigen Verwendung von mehreren Brennstoffen oder Entsorgungsgütern unterschiedlicher Art (fest, flüssig, gasförmig, pastös), unterschiedlicher Heizwerte (Brennstoffmix) und unterschiedlicher Eintragsmengen durch die elektronische Steuerung die SWkLW so ausgesteuert wird, dass die festgelegte Temperatur und der festgelegte Sauerstoffüberschuss als Kennzeichen und Sicherheit einer vollständigen Verbrennung exakt eingehalten werden. Beispielsweise ist hier der Einsatz von Sekundärbrennstoffen und der gleichzeitige Einsatz von Klärschlamm in einer SWkLW zu nennen.

Als Temperaturgrenzen sind für die sehr differenzierten Einsatzfälle der SWkLW 450°C (untere Grenze) bis 980°C (obere Grenze) vorgegeben. Die jeweilig zutreffende, durch Gesetzgebung und/oder technische, physikalische und chemische Kenngrößen bestimmte Temperatur ist mittels des physikalisch-chemischen Modells festzulegen. Sie dient als eine Basis der Auslegung und des Betriebs der SWkLW.

Eine weitere wesentliche verfahrensspezifische Kenngröße für die Auslegung und den Betrieb einer SWkLW ist der Sauerstoffüberschuss, der als Sauerstoffanteil im Abgasvolumenstrom gemessen wird. Seine Festlegung erfolgt mittels des physikalisch-chemischen Modells und hat darin auf eine Reihe von Parametern Einfluss. So werden mit dem Sauerstoffüberschuss, der auch durch Gesetzgebung und/oder technische, physikalische und chemische Kenngrößen bestimmt wird, die Gebläse hinsichtlich ihrer Größe ausgelegt, der Eintragsvorrichtungen und Reaktordurchmesser dimensioniert und Temperatureinflüsse ausgeübt. Diese wechselseitige Beeinflussung mit der Temperatur hat auf die Auslegung und den Betrieb einer SWkLW signifikanten Einfluss.

Der Wert des Sauerstoffüberschusses kann in Abhängigkeit vom realen Einsatzfall zwischen 2,5 Vol.% (untere Grenze) und 16 Vol.% (obere Grenze) variieren. Seine Einhaltung ist durch die Steuerung der Anlage in einem einsatzfallabhängigen Schwankungsbereich sicherzustellen. So ist zum Beispiel für eine Anlage der Wert des Sauerstoffüberschusses mit 9,5 Vol.% des Masseanteils eingestellt. Dann regelt die Steuerung diesen Wert z. B. mit +/– 3 Vol.% aus.

Von wesentlichem Einfluss auf den erfindungsgemäßen Betrieb einer SWkLW ist die Auslegung des Reaktorkörpers und insbesondere des Freeboards. Diese Auslegungen erfolgen wieder mittels des physikalischen-chemischen Modells. Dabei sollen verfahrensgemäß die aus den Ausgangswerten (Brennstoffart oder Entsorgungsgut, -mengen, Temperaturen, Sauerstoffüberschuss, Additivmengen, u. s. w.) abgeleitenden Abmessungen von Reaktor und Freeboard, deren Isolierungsstärken und der Einsatz von zusätzlichen Heizflächen als Bettheizflächen festgelegt werden. Mit der Festlegung des Freeboard-Durchmessers und seiner Höhe und damit erzeugten Verweilzeit (verfahrensgemäß 2 bis 13 sec.) wird über den bekannten Effekt der Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit Einfluss auf den Austrag von Inertmaterial- und Aschepartikeln sowie auf Partikeln von Reaktionsprodukten diskreter Größe genommen. Verfahrensgemäß soll dieser Auslegungsbereich – bestimmt mittels des physikalischen-chemischen Modells – in einem definierten Bereich von 1,35 bis 2,45 × Reaktordurchmesser für reale SWkLW liegen. Die Höhe des Freeboard soll dabei zwischen 0,9 und 1,85 des ermittelten Freeboarddurchmessers betragen.

Die Verwendung von spezifisch auf die Brennstoffe oder Entsorgungsgüter bezogenen Additiven hat das Ziel der Vermeidung von Schadstoffemissionen durch gezielte chemische Reaktionen während oder nach einer Verbrennung im Reaktor. Diese gezielte Beeinflussbarkeit solcher oder ähnlicher chemischer Reaktionen ist ein entscheidender Vorteil der SWkLW. Damit kann in wesentlichen Einsatzfällen ein hoher Reinigungseffekt des Abgases erreicht und eine nachgeschaltete Abgasreinigung über eine Entstaubung hinaus vermieden werden.

Ein weiteres Merkmal des Verfahrens und der Anlagengestaltung besteht darin, dass eine SWkLW zur schrittweisen Umsetzung von Reinigungseffekten und/oder Energienutzung von Stoffen/Entsorgungsgütern und/oder zur Entsorgung gezielt als mehrstufige Anlage ausgeführt und betrieben werden kann. Eine solche Anlage besteht aus mehreren hintereinander oder parallelgeschalteten SWkLW mit denen beispielsweise ein höherer Entschwefelungswirkungsgrad erreicht wird als mit einer einzigen SWkLW. Dabei können zwischen den SWkLW auch weitere Anlagenkomponenten, gleich welcher Art, angeordnet sein. Die Steuerung eines solchen Anlagekomplexes erfolgt ebenfalls auf der Basis des physikalischchemischen Modells.

Ausgehend von einer effektiven SWkLW-Grundleistung von ca. 20 kW/therm werden Anlagengruppen mit einer Leistung von bis zu 60 000 kW/therm beispielweise in Kombination mit Pyrolyseverfahren zur Entsorgung hochgiftiger und/oder bakteriologisch verseuchter oder anderer Stoffe oder zur Biomassenutzung oder auch Anlagengruppen mit einer Gesamtleistung von bis zu 100 000 kW/therm insbesondere zur Entschwefelung von Stoffen der verschiedensten Art, wie Erdöl, Erdgas oder entsprechender Folgeprodukte eingesetzt. Im letzteren Fall vorzugsweise in Raffinerien.

Bei heizwertreichen Brennstoffen oder Entsorgungsgütern sind verfahrens- und anlagengemäß zusätzliche Bettheizflächen (Wärmeaustauscher) in flächiger Form im Reaktorraum angeordnet. Damit kann die beabsichtigte Brennstoffmenge bei den festgelegten/ermittelten Werten für Temperatur und Sauerstoffüberschuss effizienter verarbeitet werden. Bei der Auslegung dieser Komponenten kommt das physikalisch-chemisch Modell zur Anwendung. Diese auf den konkreten Einzelfall ausgelegte zusätzliche Möglichkeit Wärme abzuführen, stellt sicher, dass die Flexibilität der realen SWkLW hinsichtlich des Einsatzes einer größeren Brennstoffvielfalt gegeben ist. In einer vorhanden realen Anlage kann dadurch nunmehr auch ein Brennstoffmix mit einem deutlich höheren Heizwert gefahren werden. Bereits bei der Auslegung einer solchen SWkLW kann diese Option berücksichtigt werden. Im realen Betrieb ist dann die Einbindung in die Gesamtsteuerung der Anlage verfahrensgemäß umzusetzen.

Bei sehr heizwertarmen Brennstoffen oder Entsorgungsgütern oder bei chemisch schwierigen Verbindungen wird verfahrensgemäß die Fähigkeit der SWkLW zur Verarbeitung solcher Stoffe durch den Einsatz von Katalysatoren deutlich erweitert. Diese in einer Wirbelschicht, insbesondere in der SWkLW erstmals eingesetzten Katalysatoren werden verfahrensgemäß mit dem Inertmaterial in das Wirbelbett eingebracht. Sie beschleunigen oder ermöglichen eine Verbrennung und/oder chemische Reaktion der betreffenden Brennstoffe/Entsorgungsgütern und/oder deren Verbrennungsprodukten und anderen Verbindungen. Diese Katalysatoren sind anlagenspezifisch auszulegen und einzusetzen. Mit ihnen wird das Spektrum der in einer SWkLW verarbeitbaren Stoffe deutlich erweitert. Beispielsweise ist durch den Einsatz von Katalysatoren die Verbrennung eines Deponiegases noch unterhalb von 7 Vol.% Methan möglich.

Zusammen mit der bekannten Möglichkeit des Einsatzes von Additiven wird somit die Einsatzvielfalt der SWkLW über den ursprünglichen Verbrennungszweck hinaus erhöht. Weiterhin wird damit verfahrensgemäß erreicht, dass dadurch eine Stützfeuerung mit Zusatzbrennstoff nicht oder nur in einem geringeren Umfang erforderlich wird.

Ein spezifisches Merkmal der Erfindung besteht auch darin, das im Ruhebetrieb die SWkLW im Stand-By-Betrieb gefahren und der Reaktor dazu thermisch geschlossen wird (Thermoeffekt), in dem die Brennstoff- und Luftzufuhr in den Reaktor und der Abgasstrom unterbrochen wird.

Zur Sicherung des Stand-By-Betriebes werden mögliche Wärmeabstrahlungsverluste über die im Reaktor integrierten Bettheizflächen ausgeglichen bzw. wird zusätzliche Wärmeenergie bei wieder Inbetriebnahme des Reaktors zum zügigen Hochfahren eingebracht.

Der Stand-By-Betrieb ist neben den normalen Ruhebetrieb insbesondere bei mobilen SWkLW im Zuge des Standortwechsels vorgesehen.

Die Nutzung der Abwärme aus einer SWkLW kann in zwei Richtungen erfolgen.

Zum einen ist Nutzung der Abgasenergie als Prozesswärme ein wichtiges Element bei der Vorwärmung der zum Einsatz gelangenden Brennstoffe und/oder der Frischluft. Damit wird die für die Verbrennung erforderliche Energie reduziert. Bei heizwertarmen Brennstoffen/Entsorgungsgütern ist in vielen Fällen nur so eine Verbrennung erst möglich. Die Nutzung des Energiepotentials des Abgases stellt eine anlagenseitig einfache und kostengünstige Lösung der Vorwärmung von Brennstoff und/oder Wirbelluft dar.

Die Einbindung dieser Vorwärmung in das Abgassystem der Anlage und dessen Auslegung über das Ermöglichen eine anlagenspezifische Energieoptimierung. Zusätzlich zur Abwärme ist auch die Nutzung des Wärmepotentials der Asche anlagenseitig möglich und vorgesehen.

Während des Betriebes ist diese Energieoptimierung durch die Steuerung der SWkLW den realen Betriebsbedingungen anzupassen, so dass in jedem Zeitpunkt ein Optimum an Energieausnutzung erreicht wird. Dieses Optimum ist auch zu erreichen, wenn neben der Energienutzung für interne Verwendung auch Wärme für externe Verwendung ausgekoppelt wird. Die Größe der externen Wärmenutzung ist anlagenspezifisch hinsichtlich ihrer Leistungsparameter auch mittels des physikalisch-chemisch Modells auszulegen.

An diese Anlagentechnik (Wärmeaustauscher) schließt sich im konkreten Einzelfall auszuwählende Anlagentechnik zur Wärmenutzung und z. B. zur Stromerzeugung an. Das können für die Stromerzeugung sowohl Dampfkraftprozesse als auch ORC- oder Kalina-Anlagen sein. Die energetische Optimierung solcher Anlagen ist u. a. wegen einer maximalen Brennstoffnutzung und wegen einzuhaltender Einspeisungsdaten zwingend erforderlich. Das wiederum hat Einfluss auf das Fahrregime der SWkLW und muss somit in der Steuerung der Anlage Berücksichtigung finden. Bei der gleichzeitigen Aussteuerung sowohl der internen als auch der externen Wärmenutzung sind die Anforderungen und Einflüsse auf die Steuerung der SWkLW zur Einhaltung der optimalen Prozessparameter gravierend.

Der wirtschaftliche Betrieb einer SWkLW ist stark von der Qualifizierung des eingesetzten Personals und der Zuverlässigkeit der technischen Anlagen abhängig. Besonders bei der dezentralen Einsetzbarkeit Anlagen kleiner Leistung ist wenig Personal mit einer nicht adäquaten Qualifikation zu erwarten.

Mit der beschriebenen Komplexität der Anlage und den damit steigenden Anforderungen an die Steuerung ist eine schnelle und kompetente Reaktion unerlässlich. Das kann dauerhaft nur durch eine Fernüberwachung auf der Basis des physikalisch-chemischen Modells des Gesamtprozesses gewährleistet werden. Dieses Modell ist gleichzeitig als Grundlage der realen Anlagensteuerung im Einsatz und ist damit über eine Datenfernübertragung jederzeit hinsichtlich des aktuellen Zustandes der SWkLW „auskunftsfähig". Bei Störungen, die nicht über die Anlagensteuerung automatisch ausgeregelt werden, werden diese nicht nur festgestellt, sondern sie können zielgerichtet behoben werden. Damit wird ein entscheidender Beitrag nicht nur zur Prozessstabilität sondern auch zur Verfügbarkeit geleistet.

Während bei großtechnischen Anlagen diese Verfahrensweise kaum eine Rolle spielt, ist sie gerade bei dezentralen Anlagen kleiner Leistung unerlässlich. Da es solche erfindungsgemäßen Anlagen derzeit nicht gibt, muss ihre Zukunftsfähigkeit gerade auch an der Verfügbarkeit solcher innovativen Lösungen gemessen werden.

Insbesondere für SWkLW mit Betonung auf kleine Leistungen wird durch das vorgeschlagene Verfahren und anlagenspezifische Gestaltung der Mobilitätsanspruch realisiert. Die dazu vorgeschlagenen verfahrensspezifischen Methoden sichern eine volle Funktionalität mobiler Anlagen.

Bezüglich der Anlagengröße mobiler SWkLW wird eine Obergrenze von 20 kW/therm als optimal angesehen. Eine gattungsgemäße mobile Anlage einer stationären Wirbelschichtanlage (SWSF) als Vergleichsbasis für die Ausführung einer SWkLW zeigt beispielsweise die DE 198 59 052 C2.

Das prinzipielle Grundschema einer SWkLW-Anlage ist in der beigefügten Abbildung dargestellt.

1
physikalisch-chemisches Modell
2
Reaktorramm Reaktorkörper mit Inertmaterial
3
Katalysatoren, anlagenspezifisch
4
Düsenboden
5
Freeboard
6
Stützfundament
7
Gebläse (definierte Anzahl)
8
Mess- und Datenerfassungssystem
9
elektronische Steuerung
10
Abgasführung mit Zyklon(en), Filter
11
System zur Abgasnutzung bestehend aus – interner Wärmenutzung – externen Wärmenutzung
12
Fernüberwachungs-, Analyse- und Steuerungssystem
13
Bettheizungsfläche (Flächenwärmeübertrager)


Anspruch[de]
Verfahren zur Entsorgung und/oder Nutzung von unterschiedlichen Brennstoffen oder Entsorgungsgütern als Brennstoff als Einzelbrennstoff oder Brennstoffmix

a) mittels einer stationären Wirbelschichtfeuerungsanlage für kleine Leistungen SWkLW, vorzugsweise für Leistungsbereiche von 20 bis 30 000 kWtherm. mit integrierter Nutzung der Abgasenergie, wobei die SWkLW mindestens

b) einen Reaktorraum (2)

c) mit Wirbelbett

d) mit Inertmaterial und

e) Bettheizflächen (13),

f) ein Freeboard (5),

g) und eine Steuerung (9) umfasst, wobei

h) der Brennstoff in das fluidisierte Wirbelbett eingetragen wird und

i) dieser Eintrag bis zu einer Höhe von 90% des ruhenden Wirbelbettes erfolgt,

j) die Verweilzeit zur thermischen Umsetzung des Brennstoffes wenigstens 2 bis 13 Sekunden im Reaktorraum (2) und Freeboard (5) beträgt,

k) der Reaktorraum (2) unter atmosphärischen oder druckaufgeladenen Bedingungen mit einer Betriebsschichthöhe des Wirbelbettes von 60 cm bis 550 cm arbeitet,

l) die Zusammensetzung des Brennstoffes und dessen Eintragsmengen mittels der Steuerung (9) fortlaufend bestimmt werden,

m) die Verbrennungstemperatur im Reaktorraum (2) wenigstens 450°C bis 980°C beträgt,

n) der Wert des Sauerstoffüberschusses in Abhängigkeit des Heizwertes des Brennstoffes zwischen 2,5% und 16% variierbar ist,

o) die Menge des Brennstoffes entsprechend nach festgelegten oder ermittelten Werten für Temperatur und Sauerstoffüberschuss verarbeitet wird,

p) wobei fehlende und/oder überschüssige Prozesswärme im Reaktorraum (2) über die Bettheizflächen (13) ein- und/oder ausgekoppelt wird,

q) wobei Anlagen- und Betriebsparameter in einem physikalisch-chemischen Modell (1) zusammengefasst, daraus die optimalen Parameter für das Verfahren ermittelt und anschließend der Steuerung (9) zugeleitet werden, wobei die optimalen Parameter zumindest die folgenden Anlagen- und Betriebsparameter der Verbrennung betreffen:

– Verbrennungstemperatur,

– Menge, Zusammensetzung, Art, Struktur und Heizwert des Brennstoffes,

– Zusammensetzung und Menge des Inertmaterials,

– Abgaswerte, wie Abgastemperatur, Abgasvolumenstrom und Abgaszusammensetzung, Betriebszeit, Frischluftmenge und Sauerstoffüberschuss sowie

– Anlagenparameter.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fehlende Prozesswärme in Form von Abgasenergie und/oder Aschewärme in den Prozess zurückgeführt oder überschüssige Prozesswärme zum Vorwärmen der Frischluft ausgekoppelt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlauf oder bei Standortwechsel die SWkLW im Stand-By-Betrieb gefahren wird, wobei der Reaktorraum (2) thermisch geschlossen wird, in dem die Brennstoff- und Luftzufuhr unterbrochen wird und zum Hochfahren der SWkLW Wärme über Bettheizflächen (13) eingetragen wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine umweltgerechte Entsorgung und/oder energetische Nutzung von brennwertarmen Gasen und/oder Schadstoff belasteter Gase deren Methananteile oder brennbaren Anteile als untere Grenze einen Wert von 4 Vol.% überschreiten oder dass die SWkLW als Wirbelschichtfackel eingesetzt wird oder dass zur Entsorgung von Gasen ohne Heizwert Schwachgas, wie eine Stützfeuerung erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es eingesetzt wird in der Deponietechnik für die Entsorgung von Deponiestoffen, wie Sickerwasser, Sondermüll u. dgl., mit und ohne eigenen Heizwert unter Verwendung von Deponiegas oder anderen heizwertreichen Fraktionen aus Deponien oder Müllaufbereitungsanlagen jeglicher Art mit anschließender oder in Aufbereitungsanlagen integrierter energetischer Nutzung der Abwärme. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es eingesetzt wird als Entschwefelungsverfahren zur Entschwefelung von Stoffen aller Art, insbesondere Erdgasen, und Erdölen oder schwefelhaltigen Folgeprodukten der Erdgas- oder Erdölförderung oder Erdölverarbeitung in Anlagengruppen mit einer Gesamtleistung von bis zu 100 000 kWtherm. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

– es als zentrales, integriertes Verfahren Bestandteil und/oder in Kombination mit Pyrolyseverfahren einer Entsorgungsanlage für Reifen eingesetzt wird,

– die aus dem Pyrolyseverfahren oder der SWkLW freigesetzten Stoffe ganz oder teilweise intern und/oder extern energetisch genutzt oder entsorgt werden,

– für die Anlagengröße eine Gesamtleistung von bis zu 60 000 kWtherm. verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass damit die SWkLW als Biomasse-Kraftwerk betrieben wird, das sowohl Wärme als auch Strom erzeugt und als Brennstoff Biomasse jeglicher Art und in jeglicher Zusammensetzung verwendet werden. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Biomasse Rückstände aus der Tierproduktion, wie Hühnermist jeglicher Art und Schweinegülle, jeglichen Trockenheitsgrades verwendet werden. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass damit die SWkLW als Bestandteil oder im Zusammenhang mit einer technologischen Kette zur Herstellung von Dünger jeglicher Art verwendet wird, wobei die SWkLW auf eine Anlagengröße von bis zu 60 000 kWtherm. erweitert wird. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Anlage eine SWkLW ist und folgende Grundelemente aufweist:

– einen Reaktorramm (2) mit Inertmaterial;

– einen Düsenboden (4);

– ein Freeboard (5);

– Gebläse (7);

– ein Mess- und Datenerfassungssystem (8);

– eine elektronische Steuerung (9);

– eine Abgasführung mit Zyklon(en) (10) und Filter;

– ein System zur Abgasnutzung (11) bestehend aus

– einer interner Wärmenutzung und

– einer externen Wärmenutzung; und

– Bettheizflächen (13).
Anlage nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass der anlagenspezifische Durchmesser des Freeboards (5) in einem definierten Bereich von 1,35 bis 2,45 × des Reaktordurchmessers liegt. Anlage nach Anspruch 11 und 12, gekennzeichnet dadurch, dass die Höhe des Freeboards (5) gegenüber dem Durchmesser des Freeboard 0,9 bis 1,85 desselben beträgt.






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