专利名称：利用生物质的装置和方法以及中央供暖站的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用生物质、特别是利用淤泥的方法，在该方法中，待利用物料首先进行干燥，然后为生成热解气而在热解反应器中进行热解。本发明还涉及一种利用生物质的装置。
背景技术：
生物质的利用，特别是它作为可替代能源载体的应用，近年来得到了很多研究。下列根据生物规定的真实“生物(Biomasse) ”都落入上位概念“生物质(biogene Masse) ”的范围，即植物残余物、来源于植物和动物的垃圾和副产品、生物垃圾、旧木头等，以及回收的过程垃圾以及社区及工业淤泥。最近提出了，特别是以不同方式进行的淤泥的可能的利用和清除的问题。原则上有这样的利用的可能，即将淤泥转移至耕地上(农业利用)。尽管这种用法在确定了淤泥规定的前提下是可以的，但是当作肥料来使用，使土地长期受到污染和负担，其中，从这些土壤所种出来的植物所产生的食物富含有害物质。进一步，将淤泥转移至耕地上会造成运输压力，以至于作为另外的缺点还有费用高昂和CO2排放的问题。在中央式火电厂燃烧淤泥尽管原则上可行，但也会造成高昂的运输耗费，这是因为，需要运输至火电厂的淤泥仅具有约25%的固体含量(其余75%都是水分)。这需要成本高昂的、耗能的干燥过程，以至于在接着的干燥淤泥燃烧过程中额外获得的热能或多或少完全被该干燥过程耗尽了。对于供能单位，这在能量上当然不是优点。在分散式燃烧装置中燃烧淤泥在降低过程费用方面仅取得了有限的成功。尽管通常减少了运输距离，但是相对于为干燥过程所耗费的能量，燃烧过程生成的能量还是太少。 此外，必须通过添加辅助燃料来维持燃烧过程，其中，几乎只有这一点会对最终的正面的能量平衡有所贡献。利用淤泥的另一可能性最终在于在沼气装置中发酵。然而其主要缺点在于，沼气产量过低，因而该方法的效率过低。
发明内容
从前述现有技术出发，本发明的目的在于，提供一种利用生物质、特别是利用淤泥的方法和装置，该方法和装置相对于通过该利用过程所生成的能量，可以以高效率运行，该效率基于所采用的生物质的能量含量。根据本发明，由权利要求1的前述部分所述的利用生物质、特别是淤泥的方法实现了本发明的目的，该方法为，将物料在至少两个前后接续设置的干燥器级中进行热干燥， 其中，使在物料输送方向上在后设置的干燥器级的废热作为过程热量用于各自在前设置的干燥器级。本发明的方法的特别的优势在于，通过利用在后设置的干燥器级的废热作为在前设置的干燥器级的有效热量，可以整体将干燥生物质所需的能量最小化，从而使通过燃烧
4热解过程所生成的热解气而生成的能量明显高于用于干燥生物质所需的能量，这在现有技术中类似的方法中还不可能实现。在本文中，申请人的计算显示了，可以实现基于生物质的能量含量的直至80%的能量回收。进一步，本发明方法的优势在于，通过例如将生物质在它的生成处附近(对于淤泥就是在污水处理厂附近)进行干燥和热解，该方法可以分散地操作，其中，如果可能，使热解气接下来可以用在燃料电池、或者和发电机相连的热机中，从而生成电能，热机例如为燃气涡轮机、内燃机或者斯特林发动机。在中央供暖站(Bloclchei zkraftwerk)的使用中， 除了电能还可以获得有效热量，从而使本发明的方法鉴于所追求的热力耦合的扩大的利用方面具有重大意义。优选至少两个干燥器级包括至少一个作为在前设置的干燥器级的低温干燥器和至少一个作为在后设置的干燥器级的高温干燥器。在此情况下，在串联干燥过程中，高温级的废热被作为过程热量提供给低温级，并由此在系统中、即整个过程中得到利用。在此，容易理解，除了一个低温级和一个高温级还可以设置其它干燥器级，从而使串联干燥器可以由多个干燥器级构成，在串联干燥器中，优选将下一个温度更高的、于待干燥物料的输送方向上在后设置的干燥器级的废热提供给温度更低的在前设置的干燥器级。根据本发明的另一设计方案，额外地将点燃热解反应器的支持燃烧器的废气的热量作为过程热量用于在前设置的干燥器级和/或在后设置的干燥器级。在此，对本发明的原理做如下扩展热解反应器的废热被作为过程热量提供给一个或多个干燥器级，该热解反应器相对于高温干燥器级具有明显更高的温度级别。一般化地表述就是，在温度升高的过程级串联中，在后设置的过程级的废热作为过程热量提供给在前设置的温度更低的过程级。进一步，使在热解反应器中生成的热解气的热量可以作为过程热量用于在前设置的干燥器级和/或在后设置的干燥器级中。由此，热解气的高能量含量可以作为过程热量导引至设置在热解反应器之前的干燥器级，整个过程的效率由此得到进一步提高。根据本发明的另一设计方案，将在热解反应器中生成的热解气导引至能量转换单元，该能量转换单元用于将热解气的能量含量转化为电能。能量转化单元在此是燃料电池，其可将热解气的化学能直接转化为电能；同样，也可以是驱动发电机的热机，特别是燃气涡轮机、内燃机或斯特林发动机。对于热机的情况，根据本发明的另一用于进一步提高过程效率的设计方案，热机的废气的热量可以作为过程热量用于在前设置的干燥器级和/或在后设置的干燥器级中。根据本发明的另一设计方案，至少两个干燥器级的每一级都经过自身热载体循环、特别是热油循环来供给热量。事实上，在后设置的干燥器级的废热，特别是以废气的形式，就是说，以蒸汽空气混合物的形式，通过一个热交换器(该热交换器整合在在前设置的干燥器级的热载体循环中)进行导引，从而根据本发明使在后设置的干燥器级的废热作为过程热量用于在前设置的干燥器级。对于由热解气驱动的热机的情况，如果热机的废热作为过程热量用于在前设置的干燥器级和/或在后设置的干燥器级，那么事实上这一点可以由此进行热机的废气通过一个废气热交换器(该废气热交换器整合在各个干燥器级的热载体循环中)进行导引。特殊地还有可能，首先通过一个整合在在后设置的干燥器级的热载体循环中的热废气热交换器来导引废气，接着再通过另一个整合在在前设置的干燥器级的热载体循环中的热交换器来导引废气。通过引入能量，将废气的至少一部分首先进行压缩，在此加热，并接着在热交换器 (整合在各个干燥器级的热载体循环中)中冷凝，通过这种手段，由一个干燥器级流出的废气可以为这个干燥器级至少部分地提供过程热量，其中，冷凝焓被传递给热载体循环并将热载体介质加热。在此，干燥器的废热以热泵的形式通过压缩提升至更高温度水平，并且接着作为有效热量经热交换器(作为冷凝器起作用)再次送入干燥器级(具有提供过程热量的热载体循环)中。根据本发明的另一优选的设计方案设置了，在热解反应器中生成的热解气的一部分作为燃料用于反应釜(整合在在前设置或在后设置的干燥器级的热载体循环中)，特别是热油釜的燃烧器。在此，该反应釜优选设置在在后设置的干燥器级的热载体循环中，而且反应釜燃烧器的废气随后通过一个整合在在前设置的干燥器级的热载体循环中的热交换器进行导引。对此，以特别有效的方式，使分支出去的热解气的能量含量用于至少两个干燥器级中的两个干燥器级。另外还设置了，在热解反应器中生成的热解气的一部分作为燃料自身用于热解反应器的支持燃烧器。因此，使该系统能够不依赖于另外的燃料而驱动。进一步还设置了，在经干燥物料的热解过程中生成的热解焦炭导引至汽化器，并且，在那里通过汽化生成的贫煤气作为燃料导引至热解反应器的支持燃烧器。这表明了另一种可能，即，通过使通常不被利用的热解产物，这里指的是热解焦炭，直接于上述方法中在能量方面得到利用，因而提高过程效率。在装置方面，开始提到的利用生物质、特别是利用淤泥的装置的目的根据权利要求17的前述部分这样得以实现，即，干燥设备具有至少两个在物料输送方向上前后接续设置的干燥器级，这些干燥器级彼此相连，从而使在物料输送方向上在后设置的干燥器级的废热作为有效热量用于各个在前设置的干燥器级。鉴于本发明装置的优点，前面所述内容相应地成立。
下面，结合说明实施例的附图进一步阐明本发明。图1示出了由淤泥生成电能的装置的方块图；图2示出了在优选的实施方式中具有热油循环的低温干燥器的方块图；图3示出了在优选的实施方式中根据图1的装置的热解反应器的示意图；以及图4示出了用于说明利用淤泥的方法的流程图。
具体实施例方式在图1以方块图示例性示出的、用于由淤泥(作为生物质)生成电能的装置包括干燥设备1，在进料口 Ia被带入装置中的淤泥经由该设备进行输送并在此干燥。该干燥设备分为两个干燥器级，即低温干燥器3和高温干燥器4。还可以引入另外的干燥器级(在此未示出)。在过程方向上在高温干燥器4后面设置了热解反应器2，该热解反应器由支持燃烧器加点火。在热解过程中，在干燥设备1中干燥的淤泥被热学分解，其中，反应得到热解气(通常由氮、二氧化碳、氢、一氧化碳和分子量更高的碳氢化合物(h0heren Kohlenwas-serstoffen)构成)、以及作为其它产物的热解焦炭和不可以进一步利用的灰。热解气经管道25从热解反应器2中溢出并且抵达热机，当前的热机是燃气涡轮机 5，该燃气涡轮机在它的一侧与用于生成电能的发电机如相连。代替燃气涡轮机也可以设置内燃机、斯特林发动机或燃料电池，这些装置可以将热解气的化学能直接转化为电能。高温干燥器4和低温干燥器3同样都包括分别作为干燥设备1的各个干燥器级的热载体循环，即当前图中的热油循环30、40，这样的热油循环将过程热量提供给各个干燥器级3、4。热油循环30、40可以彼此连接(图中未示出)，这在装置运行期间是具有优势的， 以便实现直至达到稳定操作状态时的淤泥的快速干燥。在高温干燥器4的热油循环40中前后连续设置了用于对热油加热的热油釜41和热交换器42。热油釜41在其自身方面具有支持燃烧器41a，该支持燃烧器的燃料引入管道 43与热解气管道25相连。相应地，支持燃烧器41a直接用在热解反应器2中生成的热解气作为燃料驱动。在热交换器42中，在热油循环40中循环的热油通过热废气额外加热，该热废气经废气管道52从燃气涡轮机5中流出。在低温干燥器的3的热油循环30中，首要地按前后顺序设置了总共五个热交换器 31至35。热交换器31有废气流过，该废气来自设置在热油循环40中的热油釜41的燃烧器41a。从热交换器31流出的废气的残余热量作为损耗热量漏出。热交换器32再由燃气涡轮机5的废气流过，在此之前，该废气已经流过了设置在热油循环40中的热交换器42。 为了清楚起见，在图1中，热交换器42、32的连接仅用符号C-C标识出来。燃气涡轮机的废气的残余热量在流经热交换器32后再次作为损耗热量漏出，其中，在热油循环30中循环的热油继续加热。热油循环30的热油进一步通过热解反应器2的支持燃烧器加的废气加热。为此， 该废气流经废气管道23和整合在该废气管道中的热交换器33。进一步，管道44 (从高温干燥器4流出的废气(BrUden)流经该管道)与热油循环 30的热交换器34相连，从而该废气流过热交换器34，并将废气的热能部分传递给热油。最后，在低温干燥器3的热油循环30中设置热交换器35。该热交换器由从热解反应器2流出的热的热解气流过，其中，该热的热解气将它的热量的一部分传递给热油。图2示出了根据优选的实施方式的低温干燥器3的方块图。在此，低温干燥器3的热油循环30整合了另一个热交换器37。为了清楚起见，前述的热交换器31至35在图2中并未示出。由低温干燥器3流出的废气根据图2的设置在压缩机36中进行压缩，其中，废气被提升到一个更高的温度水平，并且然后作为经压缩的废气流流经热交换器37中的管道 38，该热交换器作为冷凝器起作用。相应地，废气在流经热交换器37时变成液体，其中，冷凝热被传递给在热油循环30中循环着的热油。通过这个大致相当于热泵工作原理的结构， 通过在压缩机中使用额外能量、以非常有效的方式将进一步的过程热量提供给低温干燥器 3中的干燥过程。在图3中示出了图1的装置的热解反应器2的一个实施例的方块图。根据图1的方块图已知的组件还使用相应的附图标记。在图3中示出的设置的特别之处在于，在热解过程中产生的热解焦炭通过管道M从反应器中排出，然后传递到汽化器级沈，在该汽化器级处，热解焦炭以由现有技术已知的方式进行气化过程。由此生成的贫煤气在净化级27中得到净化，并在此后作为额外的燃料被引入热解反应器2的支持燃烧器加中。由此使整个方法的效率进一步提高，这是因为进一步的热解产物，首要地是热解焦炭，作为能源在过程中得到利用。结合图1和图4的流程图，在图1所示的装置中进行的、用于由淤泥生成电能的方法得到进一步阐明第一步，将待干燥的淤泥(干燥物质含量通常约25%，其余75重量％是水)给入装置中，输送至低温干燥器3并进行预干燥。在那里，淤泥得到干燥，从而使它在离开低温干燥器3之后具有约40%的干燥物质含量。在此通过热油循环30为低温干燥器3提供必要的过程热量。接着，经预干燥的物料被输送至高温干燥器4，并干燥至最终干燥度。在高温干燥器4中生成的废气在此经管道44导引至设置在低温干燥器3的热油循环的30中的热交换器34内，在该热交换器中，废气将其热量的一部分传递给在热油循环30中循环着的热油。结果，在物料输送方向上在后设置的干燥器级的废热，即高温干燥器4的废热，作为过程热量为在前设置的干燥器级，即低温干燥器所使用。被干燥至干燥物质含量为约85%的干燥物料然后被导引至热解反应器2中，在那里，物料优选在两级热解过程中在缺氧条件下发生热解，如现有技术已知的方式。为此所需要的热量通过支持燃烧器加生成。在此所生成的燃烧废气经管道23导引至设置在低温干燥器3的热油循环30中的热交换器33内，从而也使燃烧器废气的热量作为过程热量在干燥器级、首要是在低温干燥器3中得到利用。在热解反应器2中所生成的热解气经管道25离开热解反应器2，并首先流经除尘器21，在那里，仍存在于热解气流中的灰尘被除去。如图1所示，热解气接着流经热交换器 35，从而使在热解反应器2中生成的热解气的热量再次作为过程热量导引至该干燥器级。在流过热交换器35之前，热解气流的一部分从管道25分支流入管道22、43。引入管道22的热解气作为燃料用于点燃热解反应器2的支持燃烧器加，同时，引入管道43的那部分热解气作为燃料导引至热油釜41的支持燃烧器41a，该热油釜设置在高温干燥器4的热油循环40中。由此，以特别有效的方式，使在热解反应器2中所生成的热解气中所包含的化学能用于维持整个过程。然后，流经管道25的热解气被引入燃气涡轮机5中，并在那里燃烧，其中，燃气涡轮机5驱动发电机fe。燃气涡轮机的废气经管道52导引至热交换器42 (设置在高温干燥器4的热油循环40中)，并接着导引至热交换器32 (设置在低温干燥器3的热油循环30 中)，从而使在燃气涡轮机的废气中含有的热量再次作为过程热量提供给两个干燥器级3、 4。用前述方法由此实现了这样的原理，S卩，在过程温度一直上升的多级过程中，将确定温度的过程步骤的废热作为过程热量提供给一个或数个在前设置的较低温度的过程步骤，从而整体提高整个过程的效率。
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权利要求
1.一种利用生物质、特别是利用淤泥的方法，在该方法中，待利用物料首先进行干燥， 然后为生成热解气而在热解反应器O)中进行热解，其特征在于，使所述物料在至少两个前后接续设置的干燥器级(3、4)中进行热干燥，其中，使物料输送方向上在后设置的干燥器级(4)的废热作为过程热量用于每个在前设置的干燥器级(3)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个干燥器级(3、4)包括至少一个作为在前设置的干燥器级的低温干燥器(3)，以及至少一个作为在后设置的干燥器级的高温干燥器⑷。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使点燃热解反应器O)的支持燃烧器Oa)的废气的热量作为过程热量用于在前设置的干燥器级C3)和/或在后设置的干燥器级(4)中。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的方法，其特征在于，使在热解反应器(2)中所生成的热解气的热量作为过程热量用于在前设置的干燥器级C3)和/或在后设置的干燥器级(4)中。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的方法，其特征在于，将在热解反应器(2)中所生成的热解气导引至用于将热解气的能量含量转化为电能的能量转换单元(5)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述能量转换单元( 是燃料电池。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述能量转化单元是与发电机相连的热机，特别是燃气涡轮机(5)、内燃机或斯特林发动机。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使所述热机(5)的废气的热量作为过程热量用于在前设置的干燥器级C3)和在后设置的干燥器级中。
9.根据权利要求1至8的任意一项所述的方法，其特征在于，通过自身的热载体循环 (30、40)，特别是热油循环，为所述至少两个干燥器级(3、4)的每一个供应过程热量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使在后设置的干燥器级(4)的废热，特别是以废气的形式，经热交换器(34)进行导引，该热交换器整合在在前设置的干燥器级(3) 的热载体循环(30)中。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在至少两个干燥器级(3、4)的至少一个中，首先将流出干燥器级(3)的废气的至少一部分压缩，然后在热交换器(37)中进行冷凝，该热交换器整合在各个干燥器级C3)的热载体循环(30)中，其中，冷凝焓被传递给热载体循环。
12.根据权利要求9至11的任意一项所述的方法，其特征在于，使在热解反应器(2)中生成的热解气的一部分作为燃料用于反应釜Gl)的、特别是热油釜的燃烧器Gla)，所述反应釜整合在在前设置的和/或在后设置的干燥器级(3、4)的热载体循环00)中。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使所述反应釜设置在在后设置的干燥器级⑷的热载体循环GO)中，而且，反应釜燃烧器Gla)的废气通过热交换器(31) 导引，该热交换器整合在在前设置的干燥器级(3)的热载体循环(30)中。
14.根据权利要求9至13的任意一项和8所述的方法，其特征在于，使热机( 的废气首先通过废气热交换器0 导引，该废气热交换器整合在在后设置的干燥器级(4)的热载体循环GO)中，然后通过热交换器(3 导引，该热交换器整合在在前设置的干燥器级(3) 的热载体循环(30)中。
15.根据权利要求1至14的任意一项所述的方法，其特征在于，使在热解反应器(2)中生成的热解气的一部分作为燃料用于热解反应器O)的支持燃烧器Ca)。
16.根据权利要求1至15的任意一项所述的方法，其特征在于，将在经干燥的物料的热解过程中生成的热解焦炭导引至汽化器( )，并且在那里将通过汽化生成的贫煤气作为燃料导引至热解反应器O)的支持燃烧器Ca)。
17.一种利用生物质、特别是利用淤泥的装置，所述装置包括干燥设备(1)和在物料输送方向上设置在所述干燥设备之后的、用于由干燥物料生成热解气的热解反应器O)，其特征在于，所述干燥设备(1)包括至少两个在物料输送方向上前后接续设置的干燥器级(3、 4)，所述两个干燥器级这样彼此相连，即，使在物料输送方向上在后设置的干燥器级的废热作为有效热量用于各个在前设置的干燥器级(3)。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述至少两个干燥器级(3、4)包括至少一个作为在前设置的干燥器级的低温干燥器(3)，以及至少一个作为在后设置的干燥器级的高温干燥器(4)。
19.根据权利要求17或18所述的装置，其特征在于，所述至少两个干燥器级(3、4)分别包括用于提供过程热量的热载体循环(30、40)，特别是热油循环。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述至少两个干燥器级(3、4)的热载体循环(30、40)能够相连。
21.根据权利要求17至20的任意一项所述的装置，其特征在于，在过程方向上在热解反应器( 之后设置有可用热解气驱动的燃料电池、或者与发电机相连的可用热解气驱动的热机(5)。
22.—种中央供暖站，其具有根据权利要求17至21的任意一项所述的装置。
全文摘要
本发明涉及一种利用生物质、特别是利用淤泥的方法，在该方法中，待利用物料首先进行干燥，然后为生成热解气在热解反应器中进行热解。本发明方法的特征在于，使物料在至少两个前后接续设置的干燥器级中进行热干燥，其中，使在物料输送方向上在后设置的干燥器级的废热作为过程热量用于在前设置的干燥器级。本发明进一步涉及一种利用生物质、特别是利用淤泥的装置。
文档编号C02F11/12GK102348649SQ201080011526
公开日2012年2月8日 申请日期2010年1月29日 优先权日2009年3月13日
发明者贝恩德·约翰内斯·克罗伊斯 申请人:意昂设施服务有限公司