AT500994A1

AT500994A1 - Konstruktion zur holzvergasung

Info

Publication number: AT500994A1
Application number: AT14582004A
Authority: AT
Inventors: Walter Ing Falkinger
Original assignee: Walter Ing Falkinger
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-05-15

Description


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Erfindungsbeschreibung Konstruktion zur Holzvergasung
Konstruktionen zur Holzvergasung sind bekannt, wo im Wesentlichen Festbettvergaser für kleinere Gasheizieistungen im Bereich von einigen hundert KW genannt werden können. Für grössere Heizleistungen sind Wirbelschichtvergaser im Einsatz, die zumeist erst ab einem Leistungsbereich von grösser 5 bis 10 MW wirtschaftlich betreibbar sind, da der technische Aufwand entsprechend gross ist Mir ist bei Festbettvergasem nicht bekannt, dass diese bis dato zu einem technisch wirtschaftlichen Einsatz geführt werden konnten, jedoch in der Vergangenheit während und nach dem 2.

   Weltkrieg mangels anderer flüssiger Kraftstoffe eine weitere Verbreitung gefunden haben mit erheblichen Ko forteinbussen beim Betrieb von Lastkraftwagen und Bussen.
Heutige Festbett - und andere Holzv[beta]rgaser zielen vor allem darauf ab als Einsatzstoff Holzhackgut verwenden zu können, wo die Festbettvergaser von Ihrer Funktionsweise mehr oder weniger auf "genormtes Hackgut" hinsichtlich Grösse und Konsistenz angewiesen wären, wo aber die praktischen Bedingungen mit Hackgut von sehr unterschiedlicher Grösse und Beschaffenheit dem nicht entsprechen. Es ist zwar möglich den Festbettvergaser auf eine Sorte von Hackgut aus dem gleichen Häcksler einen Betrieb aufrechtzuerhalten, bei Hackgut aus einem anderen Häcksler, womöglich andere Hotzarten ist ein solcher Betrieb nicht mehr möglich und verursacht grösste Probleme, womöglich nicht die entsprechende Funktion.

   Wirbelschichtvergaser, welche Hackgut jeglicher Grösse verarbeiten können, haben den Nachteil eines grossen technischen und finanziellen Aufwandes, zudem sind erst Gasheizleistungen ab Anlagengrössen grösser 5 bis 10 MW wirtschaftlich abdeckbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde eine Konstruktion zur Vergasung von Holz und kohlenstoffreichen Feststoffen zu beschreiben, welche einen geringen apparativen Aufwand mit sich bringt und jede Art von Holzhackgut als Einsatzgut verwenden kann und das gewonnene Gas vor allem in Stationdranlagen für die Stromerzeugung sei es mit Hubkolbenmotoren oder Gasturbinen genutzt werden kann, sowie zur Intensivierung des Prozesses die Holzvergasung unter Druck zu betreiben,

   dies bei gleichen Anlagengrössen zu erheblich grösseren Gasheizleistungen führt und bei Gasturbinen die Kompression des gewonnenen Gases zumindest zu einem überwiegenden Teil des erforderlichen Druckes verzichten kann. Die Konstruktion ist geeignet sowohl vorrangig nach dem autothermen Verfahren als auch nach dem allotherm[beta]n Verfahren betrieben zu werden, oder einem Mischverfahren, welche in der Patentliteratur bekannt sind (EP 564796 A1 , DE 4035 164 C1 )
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass Holzhackgut getrocknet und sehr fein zerkleinert wird, oder Sägespäne Verwendung finden, welche in einer Eintragskonstruktion mit vorerhitzter Vergasungsluft vermischt werden und in die Rohrspiral[beta]n mit Rohren abgestimmten Durchmessers und Länge eingeblasen werden,

   wobei der erste Teil der Rohrspiralen entweder durch eine externe Wärmequelle oder vorzugsweise durch das heisse Produktgas beheizbar ausgeführt ist und so dieses Gemisch aus Holzspänen und Vergasungsluft (Lambda ca. 0,2 zur vollständigen autothermen Vergasung, auch abhängig von verwendeter Holzart) auf die Vergasungstemperatur erhitzt werden und nach dem Durchlaufen dieses Erwärmungsabschnittes die Vergasung der Holzspäne einsetzt und die entstehende Holzasche mit dem Produktgas ausgetragen wird und der Reinigung (Entstaubung) zugeführt wird, wo das gereinigte Produktgas zur Erwärmung eingesetzt werden kann und erst dann der Verbrennungskraftmaschine dem eigentlichen Zweck der mechanischen Leistungserzeugung zugeführt wird.
In Fig.

   1 wird die Eintragsituation der Holzspäne dargestellt, die im Wesentlichen folgende Teile benötigt Von einem Förderorgan kommend werden die Holzspäne in einen Behälter (1) beschickt, welcher mit einem Austregsorgan, vorrangig einer drehzahlreg[beta]lbaren Schnecke (2) ausgestattet ist. Die Schnecke fördert die Holzspäne zum Streurad (3) zur Auflösung des leicht verdichteten Spänestromes, wo dieser unter Ausnutzung der kinetischen Energie in Richtung des zufördemden Rohres (4) zur Rohrspirale geschleudert wird und mit der vorerhitzten Vergasungsluft aus der mengenregelbaren Heissiuftdüse (5) vermischt wird. Das Streurad ist entweder direkt oder indirekt angetrieben und ist mit der Heissluftdüse in einem gasdichten Gehäuse (6) integriert.

   Der untere Teil des gasdichten Gehäuses ist als Reduzierung zu dem Rohrdurchmesser der Rohrspirale ausgeführt, auch sind eckige Querschnitte des Gehäuses in Kreisquerschnitte überzuführen. 
In Fig. 2 wird die Konstruktion eines solchen Rohrspiralvergasers dargestellt. In der Mitte des Vergasers befindet sich ein Rohrbündelwärrn[beta]tauschers (1), weicher die Aufgabe hat mittels externer Wärmequelle bzw: vorzugsweise mittels heissem Produktgas die Vergasungsluft, welche durch die Heissluftdüse in den Prozess zugeführt wird zu erhitzen.

   Da die gesamte für den Prozess nötige Wärme zur Vorerwärmung des Holzspäne - Vergasungsluftstromes nur zu einem geringeren Teil über die Vergaserluft zugeführt werden kann, wird das Holzspäne - Vergaserluftgemisch am Beginn der Rohrspirale (2) entweder vorzugsweise durch das Produktgas oder der externen Wärmequelle auf Vergasungstemperatur gebracht, dies im Gegenstrom als auch Gleichstrom erfolgen kann, wobei der Gleichstrom den Vorteil hat, dass der Bedarf an Wärme zu Beginn der Spirale am grössten ist und auch die Temperatur des Produktgases hier nach der Erwärmung der Vergaserluft noch hoch ist In den folgenden Rohrspiralen (3,4,5) erfolgt die Vergasung des Luft - Holzspänegemisches und wird mit der Holzasche, zur Entstaubung geführt.

   Es ist nicht erforderlich das Produktgas über sämtliche Spiralen zu führen, da der autotherme Prozess Wärme abgibt und dadurch zu einer Überhitzung der Rohrspirale kommen könnte. Die einzelnen Rohrspiralen sind durch Einschöbe mit Wärmedämmung (6) getrennt, auch sind die beiden Deckel (7) so ausgeführt, dass die Gasführung zur nächsten Spirale gleich mitberücksichtigt wird. Die Rohrspiralen sind auswechselbar ausgeführt.
In Fig. 3 ist die Konstruktion des Hackgutzerkleiners dargestellt und folgende wesentliche Teile beinhaltet Von einem steuerbaren Förderorgan wird das Hackgut in den Aufgabetrichter (1) gefördert Das Hackgut durchläuft in diesem Fall 7 Messer, wo die Zerkleinerung stattfindet. An erster Stelle das Radialmesser (2), das Umfangsmesser (3) und die abwechselnd feststehenden und rotierenden Scheiben (4) mit den am Umfang angeordneten Schneidkanten.

   Die rotierenden Scheiben mit dem am Umfang befindlichen Messern werden vom E - Motor (5) über die Welle mit Lagerung (6) angetrieben. Als Steuerungsimpuls für die Menge an zugeführtem Holzhackgut dient die Stromaufnahme des E - Motors für die Hackgutzerkieinerung.
Als steigernde Massnahme des Vergasungswirkungsgrad dient die Trocknung des Holzhackgutes, welche auch aus verfahrenstechnischen Gründen empfehlenswert ist da feuchte Holzspäne einen höheren Leistungsbedarf für die Zerkleinerung haben und an den heissen Rohrwandungen kleben bleiben würden und die Funktion versagen würde.

   Die Wärmerückgewinnung aus dem heissen < entstaubten Produktgas für die Erwärmung der Vergasungsluft und für die Vorerwärmung des Holzspäne - Luftstromes bis zur Vergasungstemperatur kann mit etwa 5 %, der energetische Zugewirm durch die Trocknung des Holzes mittels Abwärme aus der Verbrennungskraftmaschine je nach Feuchtigkeit bis zu etwa 15 % am Vergasungswirkungsgrad bzw. der Gasheizleistung, beziffert werden, da das Produktgas etwa die 10 fache Masse der Vergasungsluft beträgt und daher nur die beschränkte Nutzung der sensiblen Wärme des Produktgases. Um hier das zu Beginn erwähnte Mischverfehren zu verwirklichen, ist es besser den Wasserdampf mittels Abwärme aus der VertMwnungskraftrnaschine zu generieren, da z.

   B.'bei einer Gasturbine die erhöhte Temperatur des Produldgases sich positiv in der Wärmebilanz und damit dem Wirkungsgrad der Gasturbine auswirkt.
Bei Betrieb im allothermen Verfehren ist durch diese Rohrspiralen eine grosse Fläche zur Einbringung von Wärme vorhanden, auch steht dem Nichts entgegen, wenn irgendwo sich eine externe hochtemperierte Abwärmequelle befindet dass diese in einem Teil der Rohrspirale für ein allotherm[beta]s Verfehren genutzt wird. Es ist auch der grosse Vorteil, dass hier bei den Rohrspiralen nachträglich Änderungen vorgenommen werden können, die zu einem besseren Prozessgang oder einer - änderung berücksichtigt werden können.

   Ich möchte es der Vollständigkeit halber erwähnen, dass der Eintrag von Fremdkörpern und Holzteile, welche die Rohrleitungen verstopfen könnten, durch geeignete Massrahmen wie Siebung und Abscheidung vorgesehen werden. Verstopfungen durch Holzspäne sind dadurch aufzulösen, das die Rohspirale weiter beheizt wird und Luft zugeführt wird und die Holzspäne dadurch in Asche übergeführt werden und der betreffende Rohrquerschnitt wieder frei wird.
Wird Holz einer Vergasungsreaktion nur mit Luft mit einem Lambda von etwa 0,2 unterzogen, entsteht ein Gas mit ca. 70 % CO und ca. 30 % N, dies im Gegensatz zu reinem Kohlenstoff das erzeugte Generatorgas mit nur 30 % CO dadurch erklärbar ist, dass die chemische ZusaiiMnensetzung von Holz ca. 50 % C, ca. 6 % H und ca.

   44 % O aufweist wo dieser gebundene Sauerstoff reagier Es gibt auch die Reaktion zwischen CO und H20 wo Wasserstoff und C02 als Produkt anfällt (Wassergasreaktion) und nur eine leicht endotherme Reaktion ist und von der Temperatur relativ unabhängig ist. Es ist daher möglich den Anteil des CO durch Einbringung von Wasserdampf Wasserstoff zu gewinnen und das C02 durch bekannte Verfahren wie 

Druckwasserwäsch[theta] oder Calziumhydroxid aus dem Produktgas zu entfernen und ein Maximum an Wasserstoff zu gewinnen mit einem gewissen Anteil an Stickstoff.

   Die Einbringung von Wasserdampf in die CO'Atmosphäre kann in einer separaten nachgeschalteten Stufe erfolgen, es ist aber auch sehr gut denkbar, dass der Anteil Wasserdampf durch Wassereindüsung in das heisse (gereinigte) Produktgas erfolgt, dort verdampft und für die angeführte Wassergasreaktion genutzt wird, dies sich vor allem für Hubkolbenmotoren eignet da hier möglichst geringe Produktgastemperaturen erwünscht sind, wo bei der Gasturbine der Höchstwirkungsgrad durch das heisse CO erreicht wird.

   Die Abkühlung des Produktgases sollte^allerdings nicht soweit erfolgen, dass es zur Auskondensation von Teerteilchen führt
Bei der Beabsichtigung einer Vergasungsreaktion einer unter Druck ablaufenden Reaktion zur Anlagenverkleinerung und Intensivierung des Prozesses und Verwendung des Produktgases ohne weHere Verdichtung zur Verwendung z.B. in einer,Gasturbine sind üblicherweise Probleme mit der Einbringung des Festbrennstoffes in einen Reaktor zu erwarten. Durch die Verwendung des Streurades und komprimierter Vergasungsluft sind diesem Verfehren dort Grenzen gesetzt wo das Volumen der Luft das Volumen der Holzspäne zu einem nicht mehr transportfähigen Anteil der Holzspäne führt.

   Die Abdichtung nach Aussen der zufördemden Schnecke ist insofeme gut beherrschbar, wenn ein Pfropfen aus Holzspänen zwischen Ende der Schnecke und dem Streurad belassen wird, welcher die Dichtf[upsilon]nktion erfüllt Die verdichteten Holzspäne werden durch das Streurad wieder aufglöst Die Abscheidung des Im Produktgas befindlichen Staubes kann durch die Abkühlung im nachgeschalteten Produktgaswärmetauscher auf einem Niveau erfolgen, bei welchem Verfahren angewandt werden, die Stand der Technik sind.
Als Alternative zur klassischen Rohrspirale kommt auch eine Konstruktion in Frage,

   wo handelsübliche Halbbögen mit geraden Rohrstücken verbunden werden und soferne ein grosser Biegeradius gewählt wird mit den anschliessenden geraden Rohrstücken im senkrecht steigenden und abfeilenden Teil kann durchaus auch ein Vorteil hinsichtlich Strömungswiderstand geltend gemacht werden, auch ist eine Entmischung des Holzspäne - Luftgemisches in den senkrechten Rohrteilen weniger ausgeprägt als bei der klassischen Spirale. Die Bauart ist fertigungstechnisch anwendbar, wenn keine Maschinen zum Einrollen einer Rohrspirale zur Verfügung stehen, jedoch Halbkreisbögen mit grossem Biegeradius und eher schon grossen Rohrdurohmessem.

   Generell kann gesagt werden, dass die Sicherheitsaspekte und Einflussmöglichkeiten auf den Prozess in jedem Teilabschnitt durch den Ablauf der Reaktion in einem Rohr mit so gut wie keiner Durchmischungsmöglichkeit von Produktgas mit Luft bei keiner anderen Konstruktion erreicht werden können.
Ein Problem beim Betrieb eines Spiralvergasers mit metallischen Rohren ist der Abrieb von Material durch die schleissende Holzasche, die früher oder später zu einem Austausch der entsprechenden Spiralabschnitte führt.

   Hier bietet sich an, dass dünnwandige metallische Rohre oder sich unter Hitze auflösende Kunststoffe als Formgeber fungieren, welche mit einer hitze - und verschleissbeständigen Gussmasse eingegossen werden und so die Funktion der Rohrspiralen übernehmen, wo auch im jenen Teilabschnitt zusätzlich Bohrungen die mit dem Heizmedium beaufschlagt werden mitberücksichtigt werden können und für die Erwärmung des Holzspäne - Vergaserluftgemisches sorgen.

   Ergänzend sei erwähnt dass der Vergaser auch im Saugbetrieb betrieben werden kann, wo nach der Produktgasreinigung und - kühlung der Kompressor im Saugbetrieb für die Förderung des Holzspäne - Luftg[beta]misches durch den Vergaser sorgt dies Vorteile bietet, wenn das Produktgas für eine Gasturbine verdichtet werden soll und auf diese Art und Weise den unterschiedlichen Gasverbrauch mit einem regelbaren Kompressor ohne Zwischenspeicher die entsprechende Gasmenge zur Verfügung gestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Konstruktion zum Vergasen von Holzhackgut, Sägespänen, zellulosehältiger Biomasse und kohlenstoffreichen Feststoffen dadurch gekennzeichnet dass das üblich verwendete Holzhackgut derart zerkleinert wird, dass es der Vergasungsluft, welche durch die mengenregelbare Heissluftdüse einströmt mittels angetriebenen Streurad beigemischt werden kann und pneumatisch dem Splrale[pi]vergäs[beta]r zugeführFwird, wo es am Beginn der Rohrspiralen mit einer externen Wärmequelle oder vorzugsweise durch 'heisses Produktgas ^auf Vergasungstemperatur gebracht wird, in den raadif genden Rohrspiralen die Vergawingsreaktion stattfindet und das Produktgas mit der anfallenden Holzasche ! zur Entstaubung i geführt wird zur Verwendung in der Chemie oder vorzugsweise einer Verbrenmingsl[alpha] ftmaschin[theta] zur Nutzleistungserzeugung.

2. Konstruktion zum Vergasen von Holzhackgut Sägespänen, zellulosehältiger Biomasse und kohlenstoffreichen Feststoffen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet dass die im Rohrdurohmesser unterschiedlichen Spiralen, welche normalerweise liegend angeordnet werden und zur Verminderung des Raumbedarfes ineinander verschachtelt angeordnet werden, auch stehend angeordnet werden, wo der Materialstro von unten nach oben und oben nach unten geführt wird und die Rohrlängen und - durchmesser so abgestimmt werden, dass die Funktion Vorerwärmung und Vergasung in den entsprechenden Leitungslängen erfolgt

3. Konstruktion zum Vergasen von Holzhackgut, Sägespänen, zellulosehältiger Biomasse und kohlenstoffreichen Feststoffen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrspiralen mit unterschiedlichen Rohrdurchmessem in einer Linie angeordnet werden, wobei die Abstände zwischen den einzelnen Rohrwindungen auf die zugeordnete Funktion abgestimmt werden.

4. Konstruktion zum Vergasen von Holzhackgut Sägespänen, zellulosehältiger Biomasse und kohlenstoffreichen Feststoffen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet dass neben einer möglichen externen Wärmequelle für die sensible Vorerwärmung des Vergasungsluft Holzspänegemisch heisses entstaubtes Produktgas verwendet wird, dies zuerst einen mittig angeordneten Rohrbündelwärrnetauscher für die Erhitzung der Vergasungsluft durchströmt und dann die Rohrwicklungen mit dem Späne - Luftgemische zur Erwärmung bis zur Vergasungstemperatur dies auch zu einer Erhöhung des Vergasungswirkungsgrades ins besonders durch die erforderliche Trocknung des Einsatzgutes führt.

5. Konstruktion zum Vergasen von Holzhackgut, Sägespänen, zellulosehältiger Biomasse und kohlenstoffreichen Feststoffen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass ein Mischv[beta]rfehren angewendet wird, wo die freiwerdende Wärme aus dem autothermen Prozess durch Zufuhr von Wasserdampf einen bestimmten Anteil des endothermen Prozesses der altothermen Vergasung stützt

6. Konstruktion zum Vergasen von Holzhackgut Sägespänen, zellulosehältiger Biomasse und kohlenstoffreichen Feststoffen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die sensible Wärme des Produktgases aus der autothermen Vergasungsreaktion durch Eindüsung von Wasser zur Wasserdampfgewinnung genutzt wird imd durch die Wassergasreaktion zur Erzeugung eines bestimmten Anteiles an Wasserstoff genutzt wird mit der Auswaschung des entstehenden C02 durch bekannte Verfehren wie Druckwasserwäsche oder Calziumhydroxid.

7. Konstruktion zum Vergasen von Holzhackgut, Sägespänen, zellulosehältiger Biomasse und kohlenstoffreichen Feststoffen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet dass das Verfahren unter einem höheren Druck als Atmosphärendruck erfolgt und hierfür Gas entweder aus einem separaten Kompressor oder aus einer abgestimmten Stufe einer Gasturbine verwendet wird, da dieser Gasstrom üblicherweise bis zu 17 % Rest 02 hat mit Temperauturen bis auch über 900[deg.] C.

8. Konstruktion zum Vergasen von Holzhackgut Sägespänen, zellulosehältiger Biomasse und kohlenstoffreichen Feststoffen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass anstatt der klassischen Rohrspirele eine Konstruktion mit Hatbkreisbögen mit grossem Biegeradius und anschliessenden geraden senkrecht ansteigenden und abfallenden Rohrstücken verbunden werden.

9. Konstruktion zum Vergasen von Holzhackgut Sägespänen, zellulosehältiger Biomasse und kohlenstoffreichen Feststoffen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet dass durch den Abrieb der schleissenden Holzasche die Spiralenform durch dünnwandige Metall - oder Kunststoffrohre geformt werden und mit einer h<'>itz[beta] - und verschleissbeständigen Vergussmasse geformt werden, wo auch in jenem Teilabschnitt der Vorerwärmung des Holzspäne - Vergaserluftgemisches zusätzlich Heizbohrungen mitberücksichtigt werden.

10. Konstruktion zum Vergasen von Holzhackgut Sägespänen, ^eilulosehältiger Biomasse und kohlenstoffreichen Feststoffen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet dass der Vergaser auch im Saugbereich betrieben wird, wo ein Kompressor für . die Förderung des Holzspäne Vergasungsluftgemisches durch den Vergaser sorgt.

11. Konstruktion zur Zerkleinerung von Holzhackgut und zellulosehältiger Biomasse, dadurch gekennzeichnet dass Hackgut in einem Trichter eingeworfen wird, die Vorzerkleinerung durch ein rotierendes Radialmesser erfolgt, anschliessend von den Balken des rotierenden Radialmessers den feststehenden Umfangsmessem zugefördert wird mit der Umlenkung des Materialstromes um 90[deg.] nach unten und dort von den abwechselnd feststehenden und rotierenden Messern der Scheiben erfasst und zerkleinert wird.

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