DE102004024672B4 - Apparatus and method for producing a tar-free lean gas by gasification of biomass - Google Patents
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Abstract
Vergaser
zur Vergasung von Rohstoff, insbesondere von Biomasse, mit einem
Vergasergehäuse, das
untereinander angeordnet aufweist
eine Trocknungs- und Pyrolysezone
(1) zur Trocknung und Pyrolyse des Rohstoffs,
eine Reduktionszone
(2) zum katalytischen Cracken und zur Kohlenstoffumsetzung bei dem
Rohstoff und
eine Nachvergasungszone (3) zur Nachvergasung
von in dem Rohstoff noch enthaltenem Kohlenstoff,
wobei der
Vergaser eine Pyrolyseschwelgasabführeinrichtung (6) zur Abfuhr
von Schwelgasen aus der Trocknungs- und Pyrolysezone (1), eine Brenngasabführeinrichtung
(8) zur Abfuhr von Schwelgasen aus der Nachvergasungszone (3), eine
mit der Pyrolyseschwelgasabführeinrichtung (6)
und der Brenngasabführeinrichtung
(8) verbundene Mischvorrichtung (5) zum Vermischen der aus der Trocknungs-
und Pyrolysezone (1) abgeführten
Schwelgase und der aus der Nachvergasungszone (3) abgeführten Schwelgase
und
eine Schwelgaszuleitungseinheit (7) zur Leitung der in
der Mischvorrichtung (5) vermischten Schwelgase in die Reduktionszone
(2) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
unterhalb der
Trocknungs- und Pyrolysezone (1) in einer oberen Schüttschichtzone
(2e) und oberhalb...Carburetor for the gasification of raw material, in particular of biomass, with a carburetor housing, which has arranged one below the other
a drying and pyrolysis zone (1) for drying and pyrolysis of the raw material,
a reduction zone (2) for catalytic cracking and carbon conversion in the raw material and
a post-gasification zone (3) for the post-gasification of carbon still contained in the raw material,
wherein the gasifier comprises a Pyrolyseschwelgasabführeinrichtung (6) for the removal of carbonization gases from the drying and pyrolysis zone (1), a fuel gas discharge means (8) for the removal of carbonization from the Nachvergasungszone (3), one with the Pyrolyseschwelgasabführeinrichtung (6) and the fuel gas discharge means (8 ) connected mixing device (5) for mixing the effluent from the drying and pyrolysis zone (1) exhaust gases and from the Nachvergasungszone (3) discharged carbonization and
a carbonization gas feed unit (7) for directing the carbonization gases mixed in the mixing device (5) into the reduction zone (2),
characterized in that
below the drying and pyrolysis zone (1) in an upper packed bed zone (2e) and above ...
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines teerfreien Schwachgases durch Vergasung von Biomasse, Müll oder dergleichen, nachfolgend auch als Brennstoff oder Rohstoff bezeichnet. Zweck dieser thermochemischen Vergasung kohlenstoffhaltiger Festbrennstoffe ist die Erzeugung eines teerfreien brennbaren Nutzgases, das dann einem Verbraucher, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine in Form eines Gasmotors zugeführt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es, die der Gaserzeugung nachgeschalteten Prozesseinheiten, wie beispielsweise den Gasmotor zu betreiben, ohne dass die bei der Vergasung entstehenden Teerverbindungen zu Funktionsstörungen führen. Dies wird dadurch erreicht, dass ein teerfreies, d.h. ein maximal etwa 50 mg Teer/Nm3 enthaltendes Schwachgas erzeugt wird. Unter den Begriff Teer sind in diesem Zusammenhang alle bei der Vergasung entstehenden Kohlenwasserstoffe gefasst, die bei Abkühlung des Gases auf die für die Nutzung notwendige Temperatur ihren gasförmigen Aggregatzustand verlassen und die einhergehend mit dieser Zustandsänderung den Gesamtprozess in seiner Funktion nachhaltig stören.The present invention relates to an apparatus and a method for producing a tar-free lean gas by gasification of biomass, garbage or the like, hereinafter also referred to as fuel or raw material. The purpose of this thermochemical gasification of carbonaceous solid fuels is the production of a tar-free combustible Nutzgases, which can then be supplied to a consumer, such as an internal combustion engine in the form of a gas engine. The device according to the invention makes it possible to operate the process units downstream of the gas generation, such as, for example, the gas engine, without the tar compounds formed during the gasification leading to malfunctions. This is achieved by generating a tar-free, ie a maximum of about 50 mg tar / Nm 3 containing lean gas. In this context, the term "tar" covers all hydrocarbons formed during the gasification, which leave their gaseous state of aggregation when the gas cools down to the temperature required for its use and, along with this change in state, permanently disturbs the overall process in its function.
Verfahren zur Erzeugung von teerfreien Schwachgasen durch Vergasung von Biomasse sind bereits Stand der Technik. Bei den Verfahren entstehen neben brennbarem Nutzgas auch Gemische kondensierbarer bzw. resublimierbarer Kohlenwasserstoffe (Teere), die bei den hohen Temperaturen bei der Gaserzeugung (etwa > 700° C) dampfförmig im Gas vorliegen. Für die Nutzung des Gases beispielsweise in Aggregaten, die dem Zweck der Stromerzeugung dienen, muss das brennbare Nutzgas abgekühlt werden, wodurch es zur Auskondensation bzw. Resublimation der Teere kommt. Hierdurch werden nachgeschaltete Prozesseinheiten in ihrer Funktion stark beeinträchtigt. Um die brennbaren Gase für die Anwendung nutzbar zu machen, ist daher eine weitgehende Beseitigung der störenden Teere erforderlich bzw. es ist die Erzeugung eines teerfreien Nutzgases bzw. Schwachgases erforderlich. Für die sich ergebende Notwendigkeit der Teerbeseitigung existieren im Stand der Technik unterschiedliche Verfahrensansätze, die verschieden gute, aber insgesamt gesehen unzureichende Gasqualitäten realisieren können. Darüber hinaus sind es bei einigen Lösungsansätzen auch die hohen Kosten für Investition und/oder Betrieb, die das Gesamtverfahren betriebswirtschaftlich unattraktiv machen. Bei der Gaserzeugung im Festbett bzw. im Wanderbett, bei dem grobstückige Biomasse unter dem Einfluss der Schwerkraft im Massenfluss einen Vergasungsschacht von oben nach unten sukzessive durchwan dert, während sie dabei langsam vergast, werden im wesentlichen zwei Grundprinzipien unterschieden:
- • Die Gegenstromvergasung ist zwar vergleichsweise technisch einfach und anspruchslos, produziert jedoch brennbare Nutzgase mit extrem hohen Teergehalten.
- • Auch bei der technisch anspruchsvolleren Gleichstromvergasung gelingt es nur bei sehr kleinen Einheiten, brennbare Nutzgase in ausreichend guter Qualität bzw. ausreichend teerarme brennbare Nutzgase herzustellen. Schon bei Anlagen mit einer elektrischen Leistung von etwa > 50 kW wird es jedoch zunehmend schwieriger, das Brennstoffbett in gleichmäßigem Fluss zu bewegen, so dass bei größeren Anlagen auch hier Teere in zu hoher Konzentration im Produktgas zu finden sind.
- • Although countercurrent gasification is comparatively technically simple and undemanding, it produces flammable useful gases with extremely high tar contents.
- • Even with the more technically demanding DC gasification, it is only possible to produce flammable useful gases of sufficiently good quality or sufficiently low-flammable useful gases in very small units. Even with systems with an electrical power of about> 50 kW, however, it is becoming increasingly difficult to move the fuel bed in a uniform flow, so that in larger systems here too tars are found in too high a concentration in the product gas.
Auch konstruktive Abarten der beiden beschriebenen Grundtypen lösen das Teerproblem nicht überzeugend, so dass eine nachgeschaltete Teerbehandlungsstufe, beispielsweise eine Gaswäsche oder der Einsatz von Katalysatoren, unverzichtbar ist, wenn ein teerfreies Schwachgas erzeugt werden soll. Die katalytische Teerentfernung hat hierbei jedoch den Nachteil, dass sie entweder nicht ausreicht, um die Qualitätsanforderungen des brennbaren Nutzgases zu erfüllen, oder dass ein erheblicher Aufwand bezüglich der Investitions- und Betriebskosten erforderlich ist. Auch die Teerentfernung aus dem brennbaren Nutzgas durch Gaswäsche ist insbesondere wegen der hohen Investitions- und Betriebskosten nicht praktikabel, darüber hinaus besteht ein Nachteil der Gaswaschverfahren auch in der schlechteren energetischen Ausnutzung der eingesetzten Biomassen, da der Heizwert der abgeschiedenen Kohlenwasserstoffe verloren geht.Also constructive variations of the two basic types described solve this Tar problem unconvincing, so that a downstream tar treatment stage, for example a gas wash or the use of catalysts, is indispensable if one tar-free lean gas should be generated. The catalytic tar removal However, this has the disadvantage that it is either insufficient, about the quality requirements to meet the combustible fuel gas, or that a considerable effort in terms of investment and Operating costs required. Also the tar removal from the combustible Nutzgas by gas scrubbing is not practical because of the high capital and operating costs, about that In addition, there is a disadvantage of gas scrubbing even in the worse ones energetic utilization of the biomass used, since the calorific value the deposited hydrocarbons is lost.
Mit
der Biomassevergasung beschäftigen sich
diverse Unternehmen und Institutionen. So betreibt das Fraunhofer-Institut
für Umwelt-,
Sicherheits- und Energietechnik, UMSICHT, eine Wirbelschicht-Pilotanlage
mit 0,5 MW Leistung, die mit einem Katalysator zum Spalten des Teers
betrieben wird. Es bestehen hier Patente für die Gasreinigung mittels
der Katalysatoren (
Ein weiteres Biomasse-Vergasungsverfahren ist das CARBO-V der Firma Choren. Es produziert ein Rohgas, das vor der weiteren Nutzung einer Gaswäsche unterzogen werden muss. Dieses Verfahren ist apparativ aufwendig und somit anfällig, da es aus einem vorgeschalteten Niedertemperatur- und dem CARBO-V-Vergaser besteht.One Another biomass gasification process is the CARBO-V of the company Choren. It produces a raw gas that has undergone gas scrubbing prior to further use must become. This method is expensive in terms of apparatus and thus susceptible, as it comes from an upstream low-temperature and the CARBO-V carburetor consists.
Desweiteren gibt es eine Anlage zur gestuften Reformierung, die mit Metallkugeln als Wärmeträgermedium betrieben wird. Sie besteht bisher in Form einer 1 MW-Versuchsanlage. Darüberhinaus gibt es weitere Techniken mit Wärmeträgermedien.Furthermore, there is a system for gradual reforming, with metal balls as Wärmeträ germedium is operated. So far it has been in the form of a 1 MW pilot plant. In addition, there are other techniques with heat transfer media.
Bei einem weiteren Verfahren ist dem Vergaser eine Verdampfungs- und Pyrolysestufe vorgeschaltet. Auch dieses Verfahren und andere Verfahren bzw. Anlagen beispielsweise an den Universitäten Stuttgart, Karlsruhe, Siegen, an der TU Freiberg, Graz und Wien sowie an der Fachhochschule Offenburg sind jedoch mit Teer im Synthesegas konfrontiert und benötigen daher eine Gaswäsche und/oder einen Katalysator.at Another method is the carburetor an evaporation and Pyrolysis stage upstream. Also this method and other methods or systems, for example, at the universities of Stuttgart, Karlsruhe, Siegen, at the TU Freiberg, Graz and Vienna as well as at the University of Applied Sciences Offenburg however are confronted with tar in the syngas and therefore require a gas wash and / or a catalyst.
Zusammenfassend sind die Nachteile der bestehenden Anlagen die folgenden:
- • Das Schwelgas bzw. das erzeugte Schwachgas ist erst nach einem Katalysatoreinsatz und/oder einer Gaswäsche in einem Verbrennungsmotor oder in einer Brennstoffzelle nutzbar. Ohne Katalysatoreinsatz und/oder Gaswäsche ist der Teergehalt des Schwelgases zu hoch.
- • Die bisherigen Anlagen weisen eine vergleichsweise aufwendige und somit anfällige Technik auf, vor allen Dingen werden im heißen Bereich der abrasiven Holzkohle bewegliche Teile und Armaturen eingesetzt.
- • Die Anlagen sind erst ab einer bestimmten Größe wirtschaftlich und somit nicht dezentral einsetzbar.
- The carbonization gas or the weak gas produced can only be used after a catalyst insert and / or a gas scrubber in an internal combustion engine or in a fuel cell. Without catalyst and / or gas scrubbing the tar content of the carbonization is too high.
- • The previous systems have a relatively complex and therefore vulnerable technology, especially in the hot area of abrasive charcoal moving parts and fittings are used.
- • The systems are only economical above a certain size and therefore can not be used decentrally.
Weitere Verfahren befassen sich mit einer speziellen Schwelgasstromführung, stellen jedoch nicht die in dieser Erfindung eingesetzte Technik dar: So werden ein Seitenkanal unter dem Festbettrost zur Erzielung einer längeren Aufenthaltszeit des Schwachgases sowie die Rezirkulation von Schwelgas, um in der heißen Vergasungszone unter Wasserdampfzugabe Kohlenwasserstoffe zu eliminieren, eingesetzt. Ein weiteres Verfahren befasst sich mit einer Pyrolysegas-Rezirkulation, die durch Ansaugung in einer Röhre mit Lüfter in das Biomasse-Festbett durchgeführt wird, um die Pyrolysereaktion zu katalysieren. Anschließend erfolgt eine Vergasung. Ein weiteres Verfahren beschäftigt sich mit einem glühenden Kohlebett, durch das das Schwelgas nach der Vergasung, bei der nur Asche als fester Rückstand bleibt, zur Crackung von höheren Kohlenwasserstoffen bzw. Teeren geführt wird.Further Procedures deal with a special carbonization gas flow guide but not the technique used in this invention be a side channel under the fixed bed grate to achieve a longer Residence time of the lean gas and the recirculation of carbonization gas, in the hot Gasification zone with the addition of steam to eliminate hydrocarbons used. Another method deals with pyrolysis gas recirculation, by suction in a tube with fan carried out in the biomass fixed bed to the pyrolysis reaction to catalyze. Subsequently a gasification takes place. Another method deals with a glowing Kohlebett, through which the carbonization gas after gasification, at the only Ash as a solid residue remains, to crack higher Hydrocarbons or tars is performed.
Andere
Verfahren befassen sich mit der gestuften Vergasung mit einem von
der vorliegenden Erfindung abweichenden Aufbau: Die Patentschrift
Weitere Verfahren arbeiten auf Basis einer der lokalen allothermen Temperaturerhöhung der vorliegenden Erfindung ähnlichen Idee, bei der jedoch der Schwelgasweg unverändert bleibt: Autotherme Wasserdampfbildung und Zugabe des Dampfes in die Vergasungszone. Darüberhinaus existiert ein Verfahren, das eine autotherme Dampftrocknung und Dampfvergasung im Festbett für feuchte zu vergasende Stoffe nutzt, die jedoch keine besondere Schwelgasführung beinhaltet.Further Procedures operate on the basis of a local allothermal temperature increase of the present Invention similar Idea, in which, however, the Schwelgasweg remains unchanged: Autothermal steam formation and adding the vapor to the gasification zone. Furthermore There is a method that autothermal steam drying and Steam gasification in a fixed bed for moist substances to be gasified, but which does not contain any special carbon monoxide.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Vergaser und ein Vergasungsverfahren zur Verfügung zu stellen, der bzw. das es ermöglicht, mit einfacher, robuster und kostengünstiger Technik aus Biomasse ein teerfreies, d.h. maximal 50 mg Teer/Nm3 enthaltendes, H2- und CO-reiches Schwelgas zu erzeugen, das weder mit einem Katalysator noch mit einer Gaswäsche nachbehandelt werden muss.The object of the present invention is to provide a gasifier and a gasification process which makes it possible, with a simple, robust and cost-effective technique from biomass, to use a tar-free, ie at most 50 mg, tar / Nm 3- containing H 2 - and to produce CO-rich carbonization gas which does not have to be aftertreated with a catalyst or with gas scrubbing.
Diese Aufgabe wird durch den Vergaser gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Vergasungsverfahren gemäß Patentanspruch 31 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Vergasers und des erfindungsgemäßen Vergasungsverfahrens sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.These Task is by the carburetor according to claim 1 and a Gasification process according to claim 31 solved. Advantageous developments of the carburetor according to the invention and of the gasification process according to the invention are in the respective dependent claims described.
Ein erfindungsgemäßer Vergaser, insbesondere zur Vergasung von Biomasse, weist die folgenden Bestandteile auf: eine Trocknungs- und Pyrolysezone zur Trocknung und Pyrolyse der Biomasse bzw. des Rohstoffs (der Begriff Zone und der parallel hierzu verwendete Begriff Einheit wird hier und im folgenden als räumlich definierter Bereich oder Bestandteil des Vergasers verstanden, welcher in der Regel aus mehreren einzelnen Komponenten besteht), eine unterhalb der Trocknungs- und Pyrolysezone angeordnete Reduktionszone zur katalytischen Festbettcrackung und Kohlenstoffumsetzung bei dem Rohstoff und eine unterhalb der Reduktionszone angeordnete Nachvergasungszone zur Nachvergasung von in dem Rohstoff noch enthaltenem Kohlenstoff bzw. zur Oxidation und Reduktion am Rohstoff. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Pyrolyseschwelgasabführeinrichtung (beispielsweise mehrere Kanäle) aufweist, die der Abfuhr von bei der Pyrolyse des Rohstoffs entstandenen Schwelgasen dient, dass sie eine Abführeinrichtung (beispielsweise einen Kanal) zur Abfuhr von in der Nachvergasungszone entstandenen Schwelgasen aufweist, dass sie eine mit der Pyrolyseschwelgasabführeinrichtung und der Abführeinrichtung verbundene Mischvorrichtung zum Vermischen der aus der Trocknungs- und Pyrolysezone abgeführten Schwelgase und der aus der Nachvergasungszone abgeführten Schwelgase aufweist sowie dass sie eine Schwelgaszuleitungseinheit (beispielsweise einen sich gabelnden Kanal) aufweist, die der Leitung der in der Mischvorrichtung vermischten Schwelgase in die Reduktionszone dient. Die Pyrolyseeinheit kann hierbei beispielsweise als Festbettvergasungsstufe oder als Wirbelschichtvergasungsstufe ausgeführt sein, d.h. die Pyrolyse kann entweder mit Hilfe einer Wirbelschicht oder mit Hilfe eines Festbettes erfolgen.A gasifier according to the invention, in particular for the gasification of biomass, has the following constituents: a drying and pyrolysis zone for drying and pyrolysis of the biomass or of the raw material (the term zone and the term unit used in parallel here and hereinafter are defined spatially Understood region or component of the gasifier, which usually consists of several individual components), a below the drying and pyrolysis zone arranged reduction zone for catalytic fixed bed cracking and carbon conversion in the raw material and one below the reduction zone arranged Nachvergasungszone for re-gasification of carbon still contained in the raw material or for oxidation and reduction of the raw material. The device according to the invention is characterized in that it has a Pyrolyseschwelgasabführeinrichtung (for example, several channels), which serves the removal of carbonization resulting from the pyrolysis of the raw material that it has a discharge device (for example, a channel) for removal of carbonization produced in the Nachvergasungszone in that it has a mixing device connected to the pyrolysis gas discharge device and the discharge device for mixing the carbonization gases discharged from the drying and pyrolysis zone and the carbonization gases removed from the gasification zone, and that it has a carbonization feed unit (for example a bifurcated channel) corresponding to the line in the blender mixes smolder gases into the reduction zone. The pyrolysis unit may in this case be designed, for example, as a fixed bed gasification stage or as a fluidized bed gasification stage, ie the pyrolysis may be carried out either with the aid of a fluidized bed or with the aid of a fixed bed.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform weist der Biomassevergaser in der Mischvorrichtung eine Teilverbrennungseinheit, beispielsweise in Form eines Kohlenmonoxidbrenners auf, die zumindest zur teilweisen Verbrennung der aus der Nachvergasungszone abgeführten Schwelgase dient.In A first advantageous embodiment of the biomass gasifier in the mixing device, a partial combustion unit, for example in the form of a carbon monoxide burner, at least in part Combustion of the exhaust gases discharged from the gasification zone serves.
Die Mischvorrichtung des Vergasers weist vorteilhafterweise eine Zuführeinheit (beispielsweise einen Kanal) zur Zufuhr von Luft und/oder Sauerstoff und/oder rezirkuliertem Rauchgas und/oder Wasserdampf auf und sie weist vorteilhafterweise eine Kohlenmonoxidüberwachungsvorrichtung und/oder eine Sauerstoff-Überwachungsvorrichtung zum Ausschließen von Verpuffungen auf. Die Mischvorrichtung kann hierbei vorteilhafterweise eine Wärmeübertragungseinheit aufweisen, mit der Wärme aus der Teilverbrennung rekuperativ abführbar ist.The Mixing device of the carburetor advantageously has a feed unit (For example, a channel) for the supply of air and / or oxygen and / or recirculated flue gas and / or water vapor and it advantageously has a carbon monoxide monitoring device and / or an oxygen monitoring device to exclude of deflagration. The mixing device can advantageously a heat transfer unit exhibit, with the heat from the partial combustion is recuperative deductible.
An die Teilverbrennungseinheit oder an die Zuführein heit ist vorteilhafterweise eine Regelvorrichtung angeschlossen, die zur Steuerung der zugeführten Menge an Luft, Sauerstoff, rezirkuliertem Rauchgas oder Wasserdampf dient. Die Regelung kann hierbei mittels einer Temperaturmessstelle vorteilhafterweise aufgrund der Temperatur in der Mischvorrichtung und/oder der Reduktionszone erfolgen. Damit im Falle eines Lecks keine Schwelgase austreten, ist dem Biomassevergaser vorteilhafterweise am Ende der Prozesskette bzw. nach der Schwelgasabzugseinheit oder einem Filter ein Saugzug oder Gebläse nachgeschaltet, welcher bzw. welches einen Unterdruck erzeugt. Alternativ hierzu kann auch ein Gasmotor zu diesem Zweck eingesetzt werden.At the partial combustion unit or to the Zuführein unit is advantageously a control device connected to control the amount supplied in air, oxygen, recirculated flue gas or steam. The control can advantageously by means of a temperature measuring point due to the temperature in the mixing device and / or the reduction zone respectively. So that in the event of a leak no carbonization leak, is the biomass gasifier advantageously at the end of the process chain or after the Schwelgasabzugseinheit or a filter, a suction or blower downstream, which or which generates a negative pressure. alternative For this purpose, a gas engine can be used for this purpose.
Der Vergaser weist unterhalb der Trocknungs- und Pyrolysezone eine obere Schüttschichtzone und oberhalb der Nachvergasungszone eine untere Schüttschichtzone auf, in der jeweils eine Sperrschüttschicht für die Schwelgase aus dem Rohstoff ausbildbar ist. Besonders vorteilhaft sind in diesem Fall die in der Mischvorrichtung vermischten Schwelgase mittels der Schwelgaszuleitungseinheit beiden Schüttschichtzonen zuführbar. Die Schwelgase können hierbei einem unteren Bereich der oberen Schüttschichtzone und einem oberen Bereich der unteren Schüttschichtzone zuführbar sein. Im Betrieb weist der Vergaser dann bevorzugt im oberen Bereich der oberen Schüttschichtzone eine Sperrschüttschicht für die Schwelgase aus dem Rohstoff und im unteren Bereich der oberen Schüttschichtzone eine Schüttschicht aus dem Rohstoff, sowie im oberen Bereich der unteren Schüttschichtzone eine Schüttschicht aus dem Rohstoff und im unteren Bereich der unteren Schüttschichtzone eine Sperrschüttschicht für die Schwelgase aus dem Rohstoff auf. Hierbei ist be vorzugt die Höhe der Sperrschüttschicht im oberen Bereich der oberen Schüttschichtzone größer als die Höhe der Schüttschicht im unteren Bereich der oberen Schüttschichtzone und die Höhe der Sperrschüttschicht im unteren Bereich der unteren Schüttschichtzone größer als die Höhe der Schüttschicht im oberen Bereich der unteren Schüttschichtzone.Of the Carburetor has an upper one below the drying and pyrolysis zone Packed bed zone and above the post-gasification zone, a lower packed bed zone on, in each case a Sperrschüttschicht for the carbonization from the raw material can be trained. Particularly advantageous in this case are the in The mixing device blended carbonization by means of Schwelgaszuleitungseinheit both Packed bed zones fed. The smoldering gases can in this case a lower region of the upper packed bed zone and an upper Area of the lower packed bed zone supplied be. In operation, the carburetor then preferably in the upper area the upper packed bed zone a barrier layer for the Smoldering gases from the raw material and in the lower part of the upper packed bed zone a loose layer from the raw material, as well as in the upper area of the lower packed bed zone a loose layer from the raw material and at the bottom of the lower packed bed zone a Sperrschüttschicht for the carbonization from the raw material. Here is preferably the height of the Sperrschüttschicht in the upper area of the upper packed bed zone greater than the height the bulk layer in the lower part of the upper packed bed zone and the height of the bulk pile layer greater than in the lower part of the lower packed bed zone the height the bulk layer in the upper part of the lower packed bed zone.
Vorteilhafterweise weist mindestens eine der Schüttschichtzonen eine Schüttschichtausbildungsvorrichtung zur Ausbildung der Sperrschüttschichten auf. Hierzu dienen bevorzugt Schwenkroste und/oder Pendelroste.advantageously, has at least one of the packed bed zones a packed bed forming device to form the Sperrschüttschichten. Serve preferably swivel grates and / or pendulum grates.
Vorteilhafterweise weist der Vergaser darüberhinaus ebenfalls eine Schwelgasabzugseinheit auf, die der Abführung der im Vergaser erzeugten, teerarmen Schwelgase dient. Vorteilhafterweise werden die erzeugten teerarmen Schwelgase hierbei oberhalb einer Sperrschüttschicht in der unteren Schüttschichtzone und unterhalb einer Sperrschüttschicht in der oberen Schüttschichtzone aus der Reduktionszone abgeführt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Biomassevergasers weist die Schwelgasabzugseinheit eine Abführvorrichtung (beispielsweise einen Kanal) zur Abführung des gecrackten und mit Kohlenstoff umgesetzten Schwelgases aus der Reduktionseinheit auf. Die Schwelgasabzugseinheit ist Vorteilhafterweise mit einer Gasentstaubungsvorrichtung ausgestattet. Vorteilhafterweise ist diese Gasentstaubungsvorrichtung darüber hinaus mit einer Rückführvorrichtung zur Rückführung von Staub in die Nachvergasungseinheit und/oder mit einem Kühlwäscher zur Entfernung von Ammoniak aus dem Schwelgas und/oder mit einer Ammoniakrückführvorrichtung zur Rückführung des entfernten Ammoniaks in den Biomassevergaser ausgestattet. Die Gasentstaubungsvorrichtung ist vorteilhafterweise als Zyklon ausgeführt. Vor teilhafterweise weist die Schwelgasabzugseinheit eine Verbrauchsvorrichtung, beispielsweise einen Motor oder eine Brennkammer, und/oder eine Zuführvorrichtung (beispielsweise einen Kanal) zur Zuführung von katalytisch gecrackten Schwelgasen zu einer oder dieser Verbrauchsvorrichtung auf.Advantageously, the carburetor moreover also has a carbonization gas extraction unit, which serves to remove the tarry carbonization gases produced in the gasifier. Advantageously, the low-tarry gasses produced are discharged from the reduction zone above a barrier layer in the lower packed zone and below a barrier layer in the upper packed zone. In a further advantageous embodiment of the biomass gasifier according to the invention, the carbonization gas extraction unit has a discharge device (for example a channel) for discharging the cracked carbonization gas reacted with carbon from the reduction unit. The carbonization gas extraction unit is advantageously equipped with a gas dedusting device. Advantageously, this gas dedusting apparatus is furthermore provided with a return device for returning dust to the gasification unit and / or with a cooling scrubber for removing ammonia from the carbonization gas and / or with an ammonia recycling device Return of the removed ammonia equipped in the biomass gasifier. The gas dedusting device is advantageously designed as a cyclone. Before geous enough, the Schwelgasabzugseinheit on a consumption device, such as a motor or a combustion chamber, and / or a feeder (for example, a channel) for supplying catalytically cracked carbonization to one or this consumption device.
Die Mischvorrichtung weist vorteilhafterweise eine Crackeinheit auf, in welcher ein thermisches Cracken der vermischten Schwelgase stattfinden kann und die darüberhinaus zum Führen der gecrackten Schwelgase zur Schwelgaszuleitungseinheit dient.The Mixing device advantageously has a cracking unit, in which thermal cracking of the mixed carbonization gases can take place and the beyond to lead the cracked carbonization to Schwelgaszuleitungseinheit serves.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist der Vergaser eine Oxidationsmittelzuführeinheit auf, welche zur Zuführung eines Oxidationsmittels, beispielsweise Luft oder Sauerstoff, zur Nachvergasungszone dient.In a further advantageous embodiment, the carburetor an oxidant supply unit on which to the feeder an oxidizing agent, for example air or oxygen, to the post-gasification zone serves.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Trocknungs- und Pyrolysezone eine Zuführeinrichtung (beispielsweise einen Kanal) zur Zuführung eines Pyrolysemediums, dies kann beispielsweise Luft, Sauerstoff oder rezirkuliertes Rauchgas sein, auf. Die Trocknungs- und Pyrolysezone weist darüber hinaus bevorzugt eine Schüttschichtausbildungsvorrichtung (z. B. einen Schwenkrost oder Pendelrost) zur Ausbildung einer Schüttschicht aus dem Rohstoff auf.In In a further advantageous embodiment, the drying and pyrolysis zone a feeder (for example, a channel) for supplying a pyrolysis medium, This can be, for example, air, oxygen or recirculated flue gas be on. The drying and pyrolysis zone points beyond preferably a packed bed forming device (For example, a swivel or pendulum) to form a loose layer from the raw material.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Nachvergasungszone eine Schüttschichtausbildungsvorrichtung zur Ausbildung einer Schüttschicht aus dem Rohstoff auf. Die Nachvergasungszone weist bevorzugt des weiteren ein Oxidationsmittellumen zur Zuführung eines Oxidationsmittels zu dieser Schüttschicht und/oder eine Reststoffentsorgungsvorrichtung auf. Die Schüttschichtausbildungsvorrichtung ist bevorzugt als Schwenkrost und/oder Pendelrost ausgebildet. Die Reststoffentsorgungsvorrichtung weist bevorzugt eine Rückführvorrichtung zur Rückführung von Asche und/oder Inertmaterial in die Nachvergasungszone auf.In a further advantageous embodiment, the post-gasification zone a packed bed forming device for the formation of a loose layer from the raw material. The post-gasification zone preferably has the further an oxidant lumen for supplying an oxidizing agent to this loose layer and / or a residue disposal device. The bulk layer formation device is preferably designed as a swivel grid and / or pendulum grate. The residue disposal device preferably has a return device for the return of ash and / or inert material in the post-gasifying zone.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Pyrolyseschwelgasabführeinrichtung mindestens eine Abzugseinheit (beispielsweise einen Kanal) auf, mit denen bei der Trocknung und Pyrolyse des Brennstoffs entstandenes Schwelgas oberhalb und/oder unterhalb der entsprechenden Schüttschicht aus der Trocknungs- und Pyrolysezone abgezogen und der Mischvorrichtung zugeführt werden kann.In a further advantageous embodiment, the Pyrolyseschwelgasabführeinrichtung at least one deduction unit (for example, a channel), with those incurred during drying and pyrolysis of the fuel Carbonization above and / or below the corresponding bulk layer withdrawn from the drying and pyrolysis zone and the mixing device supplied can be.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Schwelgaszuleitungseinheit mehrere Zuleitungen (beispielsweise Kanäle oder sich gabelnde Leitungen) auf, die die Zuleitung von Schwelgasen bevorzugt zu jeder vorhandenen Schüttschichtzone erlauben. Die Zuführung kann dabei in eine in der Schüttschichtzone ausgebildete Sperrschüttschicht oder oberhalb oder unterhalb dieser erfolgen. Die Zuleitungen sind vorteilhafterweise mit Ringspalten ausgestattet.In According to a further advantageous embodiment, the carbonization gas supply unit has a plurality Supply lines (for example channels or bifurcated lines), which is the supply of carbonization preferably allow for any existing packed bed zone. The feed can be in one of the bulk layer zone trained bulk barrier layer or above or below this. The supply lines are advantageously equipped with annular gaps.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Brenngasabführeinrichtung des Biomassevergasers einen Kanal, mit dem Schwelgase aus der Nachvergasungseinheit abgeführt werden, eine Gasentstaubungsvorrichtung zur Entstaubung dieser abgeführten Schwelgase und einen weiteren Kanal zur Zufuhr der entstaubten Schwelgase als Brenngase zur Mischvorrichtung bzw. zur Teilverbrennungseinheit auf.In a further advantageous embodiment, the fuel gas removal device the biomass gasifier a channel, with the carbonization from the gasification unit dissipated be a gas dedusting device for dedusting these discharged carbonization and another channel for supplying the dedusted carbonization as Fuel gases to the mixing device or the partial combustion unit on.
Die aus der Nachvergasungszone abgeführten Schwelgase werden bevorzugt im oberen Bereich der Nachvergasungszone bzw. oberhalb dieser abgeführt. Die Gasentstaubungsvorrichtung ist vorteilhafterweise ein Zyklon und weist vorteilhafterweise eine Rückführvorrichtung zur Rückführung von Staub in die Nachvergasungseinheit auf.The discharged from the gasification zone Smoldering gases are preferred in the upper part of the post-gasification zone or dissipated above this. The gas dedusting device is advantageously a cyclone and advantageously comprises a return device for returning dust in the gasification unit.
Die Innovationen des erfindungsgemäßen Biomassevergasers bzw. des erfindungsgemäßen Biomassevergasungsverfahrens liegen im Bereich der Crackstufe (auch als Reduktionseinheit oder als Reduktionszone bezeichnet) und der Nachvergasungsstufe (die auch als Nachvergasungseinheit oder -zone bezeichnet wird) des Vergasers und in einer speziellen Teilverbrennung von Schwelgasen in der Teilverbrennungseinheit mit Luft oder Sauerstoff und ggf. geringer Wasserdampfzugabe. Durch diese Teilverbrennung von Schwelgasen kann autotherm eine Temperaturerhöhung der Schwelgase erfolgen. Diese ermöglicht bei Temperaturen von über 800° C in der allothermen Crackstufe bzw. Reduktionseinheit auto-katalytisches Cracken des Pyrolysekokses, wodurch ein teerarmes Synthesegas erzeugt werden kann. Die hierzu notwendige Zwangsführung des Schwelgases wird durch Sperrschichten, auch als Sperrschüttschichten bezeichnet, erzielt, in denen sich Feststoff anstaut. Diese stellen einen so hohen Druckverlust dar, dass das Gas den Weg nach außen in die Schwelgaskanäle der Mischvorrichtung bzw. in die Teilverbrennungseinheit nimmt, wo es zur Teilverbrennung gelangt und von dort anschließend zurück in die Crackstufe geführt wird. Bei der erfindungsgemäßen Schwelgasführung wird der Druckverlust außerdem in der Reaktionszone unter der Sperrschicht minimiert, in dem der teilverbrannte Schwelgasstrom vor dem Eintritt in die Crackstufe beispielsweise durch geeignet geführte Kanäle geteilt wird und sowohl von oben als auch von unten durch die Schicht bzw. durch die entsprechenden Teilschichten geschickt wird. Der Austritt des Schwelgases erfolgt in der Mitte der Crackstufe. Somit wird innerhalb dieser Stufe die Querschnittsfläche der Anlage doppelt angeströmt.The innovations of the biomass gasifier according to the invention or of the biomass gasification process according to the invention are in the cracking stage (also referred to as reduction unit or reduction zone) and the gasification stage (also referred to as the gasification unit or zone) of the gasifier and in a special partial combustion of carbonization gases in the partial combustion unit with air or oxygen and possibly low addition of steam. By this partial combustion of carbonization can autothermally increase the temperature of the carbonization. This allows at temperatures of about 800 ° C in the allothermal cracking stage or reduction unit auto-catalytic cracking of the pyrolysis coke, whereby a tar derer synthesis gas can be generated. The positive guidance of the carbonization gas necessary for this purpose is achieved by barrier layers, also referred to as barrier bulk layers, in which solids accumulate. These represent such a high pressure loss that the gas takes the way to the outside in the carbonization channels of the mixing device or in the partial combustion unit, where it passes to the partial combustion and is then fed back from there into the cracking stage. In addition, in the carbonization gas guide of the present invention, the pressure loss is minimized in the reaction zone below the barrier, where the partially burned carbonization stream is divided by appropriately routed channels prior to entry into the cracking stage and through both the top and bottom layers Partial layers ge is sent. The exit of the carbonization gas takes place in the middle of the cracking stage. Thus, within this stage, the cross-sectional area of the plant is charged twice.
Der vorstehend beschriebene Biomassevergaser und das entsprechende Biomassevergasungsverfahren weisen im Vergleich zum Stand der Technik eine Reihe erheblicher Vorteile auf:
- • Es kann ein teerarmes Synthesegas erzeugt werden, ohne dass ein Katalysator benötigt wird und ohne dass eine aufwendige Gaswäsche notwendig ist.
- • Bei der neuen Technik handelt es sich um eine technische einfache, aber trotzdem funktionelle und robuste Ausführung des Biomassevergasers, die eine kompakte Bauweise bei ausreichend großen Verweilzeiten des Kokses ermöglicht, womit der Biomassevergaser auch den unterschiedlich langen Reaktionszeiten in der Pyrolysestufe (nachfolgend auch als Pyrolyseeinheit bezeichnet) und der Crackstufe gerecht wird.
- • Das Cracken von höheren Kohlenwasserstoffen bzw. Teeren wird durch eine allotherme Crackstufe in dem insgesamt autothermen Prozess gewährleistet. Durch diese Betriebsart werden auch die sonst auftretenden lokalen Temperaturspitzen vermieden.
- • Für die spezielle Gasführung werden keine Armaturen benötigt.
- • Die üblicherweise hohen Druckverluste im Vergaser werden reduziert.
- • Vergasungsanlagen dieser Art sind auch im kleinen und mittleren Maßstab bis zu etwa 8 MW pro Einheit wirtschaftlich rentabel. Sie eignen sich daher für eine dezentrale Anwendung, besonders in Hybridsystemen (die bisherigen Anlagen sind darauf ausgerichtet, durch Erhöhung der Leistung „economies of scale" zu nutzen).
- • Low-tar synthesis gas can be produced without the need for a catalyst and without the need for expensive gas scrubbing.
- • The new technology is a technically simple, but nevertheless functional and robust design of the biomass gasifier, which allows a compact design with sufficiently long coke residence times, whereby the biomass gasifier also the different lengths of reaction times in the pyrolysis (hereinafter referred to as pyrolysis designated) and the cracking level is fair.
- • The cracking of higher hydrocarbons or tars is ensured by an allothermal cracking step in the overall autothermal process. This mode also avoids the otherwise occurring local temperature peaks.
- • No fittings are required for the special gas routing.
- • The usually high pressure losses in the carburettor are reduced.
- Gasification plants of this kind are economically viable even on a small and medium scale up to about 8 MW per unit. They are therefore suitable for decentralized use, especially in hybrid systems (the previous systems are designed to use "economies of scale" by increasing performance).
Ein erfindungsgemäßer Biomassevergaser kann wie in dem nachfolgend dargestellten Beispiel beschrieben ausgeführt sein oder verwendet werden.One Biomass gasifier according to the invention can as described in the example illustrated below or used.
Die
einzige
Unterhalb
dieser Reduktionseinheit
Im
folgenden Absatz wird die Funktionsweise des dargestellten Biomassevergasers
beschrieben. Die Holzkohle bzw. der Pyrolysekoks aus der Pyrolysestufe
Die
dafür verantwortliche
Wärmemenge
wird ausschließlich
mit den in der Mischvorrichtung
Der
spezifische Druckabfall in dieser Sperrschüttschicht
Der
Kohlenstoff wird in dem Oxidationsbereich
Durch
die sich ergebenden hohen Pyrolysegastemperaturen bzw. Schwelgastemperaturen
wird sensible Wärme
in den Cracker eingetragen, die dort zur Crackung und zur gleichzeitig
ablaufenden Boudouard-Reaktion erforderlich ist. Eine weitere Wärmezufuhr
liefert die Teilverbrennung im Brenner
Insgesamt
lassen sich durch das neue Vergasungsverfahren wesentliche Schwachpunkte
bei der Biomassevergasung beheben. Höhere Kohlenwasserstoffe werden
gecrackt, der Kohlenstoff wird vollständig umgesetzt und der Druckabfall
im Vergaser ist gering. Unzulässige
Temperaturspitzen im Bereich des Festbettcrackers
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