Rotary kiln biomass pyrolysis - comprehensive investigations of a 3 MW operating pilot plant over a period of two years

Abstract

Mitverbrennung (Co-firing) von Biomasse stellt in vielen Fällen eine mögliche Option für bestehende Kohlekraftwerke dar. Es gibt jedoch einige limitierende Faktoren für den Einsatz von Biomasse in diesen Kraftwerken, einer dieser Faktoren ist die Zusammensetzung der Biomasse.<br />Korrosive Bestandteile wie Chlorid, Kalium oder Natrium könne schädliche Auswirkungen für den Kessel des Kohlekraftwerkes haben. Kohlekraftwerke mit einer Staubfeuerung werden für einen hohen Wirkungsgrad optimiert, deshalb müssen die Dampfparameter, Druck und Temperatur, so hoch wie möglich sein. Bei diesen hohen Temperaturen führen die genannten Komponenten (Cl, K, Na, etc.) zu Hochtemperaturkorrosion im Kessel und da speziell an der Oberfläche des Überhitzers. Daher muss es einen Zwischenschritt für die Mitverbrennung von landwirtschaftlichen Rückständen (z.B. Stroh), die ein lokaler und billiger Rohstoff sind, für die Nutzung in einem bestehenden Kohlekraftwerk geben. Ein Pyrolyseverfahren kann zur Auftrennung der Biomasse in eine flüchtige Fraktion, welche geringe Mengen an unerwünschten Substanzen (Cl, N, S, Na und K) enthält, und eine Koksfraktion, wo diese Stoffe aufkonzentriert sind, genutzt werden. Auf diese Weise kann bisher ungenutzte, billige Biomasse für die Mitverbrennung in bestehenden fossilen Kraftwerken ohne die Gefahr von Korrosion, Ablagerung und Emissionsproblemen verwendet werden. Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Demonstration eines Biomasse-Vorbehandlungsprozesses basierend auf der Pyrolysetechnologie in einem Temperaturbereich von 450-630°C. Die Biomasse und damit auch die Energie in der Biomasse wird dabei in einen flüchtigen Bestandteil (Pyrolysegas und Pyrolyseöl) mit einem geringen Gehalt an den oben genannten unerwünschten Verbindungen und dem Pyrolysekoks (Biochar), wo die meisten dieser Elemente aufkonzentriert sind, aufgetrennt.<br />Dieser Verwendungszweck für eine Pyrolyseanlage stellt eine neue, innovative Prozesstechnologie dar, die bisher nur selten betrachtet wurde. Aufgrund dieser Ausgangslage wurde eine Pilotanlage, dessen Kernstück ein indirekt beheizter Drehrohrpyrolysereaktor mit einer Brennstoffwärmeleistung von 3 MW bildet, am Gelände der EVN AG in Dürnrohr errichtet.<br />Basierend auf den Ergebnissen der Pilotanlage wird ein Scale-up der Anlage mit einer Brennstoffwärmeleistung von 30 MWth und die Anbindung an das bestehende Kohlekraftwerk diskutiert.<br />

Co-firing of biomass is in many cases feasible for coal fired power plants. However, there are some limiting factors for using biomass in these plants. One of these factors is the composition of the biomass.<br />Corrosive components like chloride, potassium or sodium can be harmful for the boiler of the coal fired power plant, because these power plants with a dust firing are optimized for a high efficiency. Therefore, the steam parameters temperature and pressure have to be as high as possible. At these high temperatures the mentioned components (Cl, K, Na, etc.) cause high temperature corrosion in the boiler especially at the super heater surface. So there has to be an intermediate step for the co-firing of e.g. straw, which is a local and cheap feedstock, in the coal fired power plant. A pyrolysis process can be used to split up the biomass in a volatile fraction poor in undesired substances (Cl, N, S, Na and K) and a char fraction where these substances are concentrated. In this way cheap biomass can be used for co-firing in existing fossil fuel power stations without the danger of corrosion, deposition, and emission problems. The aim of the project is the development and demonstration of a biomass pretreatment process based on pyrolysis in the temperature range between 450 to 630 °C to split the energy in the biomass into volatiles with a low content of the above mentioned undesired compounds and char where most of these elements are concentrated.<br />This specific application of pyrolysis of biomass is still a new technology that has not been published in literature very often before.<br />Due to this fact a pilot plant with an externally heated rotary kiln pyrolysis reactor that is designed for a fuel power of 3 MW has been built and operated at the EVN AG coal fired power plant in Dürnrohr.<br />Based on the results of comprehensive investigations carried out at the pilot plant a scale up to a capacity of 30 MWth fuel input and integration into the coal fired power plant is also discussed in this work.<br />