CH705828B1 - Reaktor zur Herstellung von Holzkohle. - Google Patents

Abstract

Ein Reaktor (100) zur Erzeugung von Holzkohle in senkrechter Aufstellung weist im Oberteil (2) eine Beschickungseinrichtung mit einer Schleuse und einen anschliessenden Reaktionsraum auf, der sich nach unten erweitert, um Staus vom Vorrücken des Kohlungsgutes zu vermeiden. Oben im Unterteil (1) schliesst sich die Kohlungszone (106) an. Sie ist durch einen Korb (4) ausgezeichnet, der über seinen Umfang verteilt Durchlässe für Luft aufweist. Über verschliessbare oder regelbare Öffnungen an der Luftzutrittseinrichtung wird die Luft umfangsmässig in der Kohlungszone (106) eingeleitet, um eine Verbrennung mit gleichzeitiger Verkohlung wenigstens in der Kohlungszone (106) unterhalten zu können. Die Erfindung beinhaltet nun die Luftzutritteinrichtung, bestehend aus einer Vielzahl von Rohrstücken (41), welche mit einem ringförmig angelegten Kanal (42) verbunden sind und ebenfalls strömungsmässig mit einem ringförmig um den Korb (4) verlaufenden Raum verbunden sind. Weiter enthält der Reaktor (100) eine Rauchgasführung, die im Oberteil angeordnet ist und eine Einlassöffnung zum Einbringen des Verkohlungsgutes aufweist, welche seitlich versetzt zur Achse des Reaktionsraums angeordnet ist, wobei stromauf der Einlassöffnung ein Kragen (35) angeordnet ist, auf welchem ein Schieber (13B) aufgesetzt ist und das ein gebogenes Führungsblech (32), das seitlich der Einlassöffnung zu liegen kommt, vorhanden ist. Eine Dosierung (45), die im untersten Teil des Reaktors eingebaut ist, stellt sicher, dass das Verkohlungsgut gleichmässig auf die ganze Fläche verteilt, absinken kann. Dies wird mit einer oder mehreren von der Mitte des Reaktors gegenläufig angeordneten und mit zunehmender Steigung versehenen Förderspiralen (46) bewerkstelligt, so dass das Verkohlungsgut beidseitig in Kanäle (47, 48) ausgetragen werden kann.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor zur Erzeugung von Holzkohle gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Holzkohle wird durch unvollständige Verbrennung von Holzmaterial hergestellt, u. a. Holzscheiten, Spänen. Neben aufwendig zu errichtenden Meilern wurden auch Reaktoren entwickelt, um die Holzkohleproduktion effizienter zu gestalten. Aus der GB-128 791, GB-191 101 186 und US-A- 2001/0 017 002 sind derartige Reaktoren bekannt. Gemäss GB-128791 und US-2001/0 017 002 wird jedoch das Holz, das verkohlt werden soll, in Retorten bzw. Kammern gegeben, die von aussen erhitzt werden. Bei der GB-128 791 tritt das erzeugte Gas in die Feuerkammer um die Verkohlungskammer herum aus und wird verbrannt, um Wärme für die Holzkohleerzeugung zu erzeugen. Bei der US-A- 2001/0 017 002 wird das Gas gesammelt, kondensierbare Bestandteile werden abgetrennt und das Gas in die Feuerkammer zurückgeleitet, um zur Wärmeerzeugung beizutragen.

[0003] Die GB-191 101 186 beschreibt einen transportablen, im Wesentlichen zylinderförmigen Reaktor. Er wird mit Holz gefüllt und die Verbrennung eingeleitet, wobei durch Öffnen oder Verschliessen von Öffnungen die korrekten Brennbedingungen für die Holzkohlebildung eingestellt werden können. Nach Abschluss des Verkohlungsprozesses wird der Reaktor entleert und wieder beschickt.

[0004] Diese Vorrichtungen sind entweder relativ aufwendig durch die externe Heizvorrichtung oder nur diskontinuierlich betreibbar.

[0005] Beim Reaktor CH 697 688 B1 besteht der Nachteil der Verkrustung im oberen Teil des Reaktors, im Bereich des Rauchgasausganges und den vielen Stellorganen für die Zuluft sowie das ungleichmässige Absenken des Verkohlungsgutes mit den schräg abfallenden Leitflächen.

[0006] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Reaktor anzugeben, der eine kontinuierliche und effizientere Holzkohleerzeugung gestattet.

[0007] Ein solcher Reaktor ist im Anspruch 1 angegeben. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an.

[0008] Es handelt sich im Wesentlichen um einen stehenden Reaktor, der in einem Durchlaufverfahren die Herstellung von Holzkohle gestattet, in dem die Beschickung mit dem Gut (z.B. Holz) wie auch der Austrag des verkohlten Produktes kontinuierlich erfolgt. Bei diesem Reaktortyp ist eine gute Energieausnutzung gegeben. Zur Herstellung von Holzkohle wird keine Fremdenergie benötigt, und durch die innere Verbrennung wirkt die Hitze direkt auf das Einfüllgut ein. Lediglich für Hilfs- und Steueraggregate wie Rauchgasabzug und die elektrischen Komponenten zur Steuerung und Regelung benötigt dieses System eine geringe elektrische Leistung.

[0009] Die Prozesswärme, die für die Verkohlung nötig ist, wird alleine über das Einfüllgut erzeugt. Damit unterscheidet sich dieser Reaktortyp von anderen Durchlaufverfahren, in denen vorgeheizte Luft als Wärmequelle dient.

[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gewinnung von zusätzlichen Energieträgern wie Holzöl, Schwachgas und Prozesswärme möglich, die während des Prozesses anfallen.

[0011] Damit wird ein höchstmöglicher Nutzen bei einem sehr guten Wirkungsgrad erzielt. Der stehende Holzkohlenreaktor mit der Befüllung oben und anschliessendem Schleusensystem besteht im Wesentlichen aus Oberteil, dem Unterteil mit dem eingehängten Korb (4) in der Verkohlungszone mit der gleichzeitigen Lufteintritteinrichtung, die durch eine Vielzahl von Öffnungen gebildet wird; den Türen, die luftdicht schliessen, einerseits zur Sichtkontrolle und anderseits zum Anheizen des Verkohlungsguts; am Ende des Unterteils (1) der Fördereinrichtung und dem luftdicht verschliessbaren Aufnahmebehälter; sowie dem Rauchgasaustritt unterhalb des Schleusensystems mit der anschliessenden Holzölseparation; wobei: das Oberteil mit der zunehmenden Öffnung nach unten sowie dem Führungsblech zur besseren Trennung vom Rauchgas zum Befüllungsgut dient, die Verbindung vom Oberteil zum Unterteil kraft- oder formschlüssig erfolgen kann, das Kohlungsinnenteil (der gelochte Korb) mit der Verjüngung der unteren Öffnung mit dem Ziel einer besseren Luftverteilung auf das Verkohlungsgut ausgeführt ist, kaskadenförmig abfallende Leitflächen mit der Absicht, ein Absacken in der Mitte des Unterteils zu verhindern sowie den Auflagedruck aufs Fördersystem zu minimieren, vorhanden sind, die Querschnittsform des Oberteils und Unterteils rund oder rechteckig ist oder eine andere Form haben kann, das Fördermittel für das Austrittsgut ein Schubkratzboden, Spiralförderer, Schneckenförderer oder eine Zellradschleuse sein kann, das gesamte System bis auf die Lufteintrittsbohrung luftdicht abgeschlossen ist, die Prozessführung in der Abhängigkeit von gedrosselter Zuluft, Rauchgasmenge, Eintritts- und Austrittsmenge Temperatur- und Druckgrössen durch eine Handbedienung oder elektronisch geführt werden kann, die Rauchgaszusammensetzung überwacht werden kann und der Lufteintritt auch als vorverdichtete Luft eingedüst werden kann.

[0012] Die Erfindung soll weiter an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 3... 5 erläutert werden. Es zeigen: <tb>Fig. 1<sep>Reaktor nach dem Stand der Technik. <tb>Fig. 2<sep>Reaktor gemäss erfinderischer Erweiterung. <tb>Fig. 3<sep>Rauchgasführung, Reinigungsstutzen und das Höhersetzen des Schiebers. <tb>Fig. 4<sep>Die verbundenen Lufteinlässe, durch einen ringförmigen Kanal. <tb>Fig. 5<sep>Das gleichmässige Absenken des Kohlungsgutes mit spez. angeordneten Spiralen.

[0013] Beschreibung des Holzkohlenreaktors 100 nach Stand der Technik, steht aufrecht, d.h. die Befüllung erfolgt von oben und der Austrag ist am unteren Ende, und umfasst ein Unterteil (1) und ein Oberteil (2).

[0014] Oben am Oberteil (2) befindet sich die Schleuse (5), an deren Eintritt und Austritt jeweils ein Schieber (13A, 13B) angeordnet ist, und auf der Schleuse (5), d.h. auf dem Eintrittsschieber (13A), das Einfüllteil (6). Das Oberteil (2) ist leicht konisch ausgeführt mit der grösseren Öffnung nach unten, an der sich die trennbare Flanschverbindung zum Unterteil (1) befindet. Zum besseren Trennen des Einfüllgutes vom Rauchgasaustritt (102) dient ein Führungsblech (15). Die Form des Oberteils (2), die sich nach unten erweitert, vermeidet insbesondere Staus des Kohlungsguts beim Nachrutschen nach unten.

[0015] Das Kohlungsgut wird gemäss Pfeil (20) in den Einfüllteil gegeben, wobei der obere Schieber (13A) geöffnet ist, so dass sich das Gut in der Schleuse (5) sammelt. Der obere Schieber (13A) wird geschlossen und danach der untere Schieber (13B) geöffnet, um das Gut in den Reaktor 100 hineinfallen zu lassen. Durch die Schleuse (5) wird vermieden, dass bei dem Einfüllvorgang zu grosse Mengen Frischluft in den Reaktor 100 gelangen.

[0016] In der eigentlichen Kohlungszone (106) im Unterteil (1) sind in der Aussenwand eine Vielzahl von drosselbaren Lufteintrittslöchern (10) und luftdicht abschliessbaren Türen (9) vorhanden. Die Türen (9) dienen einerseits Kontrollzwecken und anderseits dem Anfeuern. Die Lufteintrittslöcher (10) sind entweder einzeln, gruppenweise, oder insgesamt mit Schiebern oder ähnlichen Vorrichtungen regelbar und damit die Luftzufuhr drosselbar. Die Drosselung der Luft erfolgt von Hand oder automatisch. Jeweils drei der Löcher (10) ist eine Messöffnung (11) zugeordnet, durch die insbesondere eine Temperaturmessung und damit eine Kontrolle des Brennprozesses möglich ist. Eingelegt im Unterteil (1) im Bereich der Kohlungszone (106) ist der gelochte Korb (4) mit dem Zweck, dass die eintretende Luft gleichmässig über den ganzen Umfang verteilt über die Löcher (107) in die Kohlungszone (106) eintreten kann. Der Korb (4) ist konisch ausgeführt mit der kleineren Öffnung (108) nach unten. Der Durchmesser der oberen Öffnung des Korbes (4) ist dabei um mindestens 10% grösser als derjenige seiner unteren Öffnung, ein in Versuchen bewährter Wert ist ca. 20%. Durch den verringerten Querschnitt der unteren Öffnung (108) am Korb (4) wird die Verweilzeit des Kohlungsgutes im Bereich der Kohlungszone (106) verlängert. Sicht X in Fig. 1 zeigt vergrössert, dass der Korb (4) in eine umlaufende Vertiefung (109) des Flansches am oberen Ende des Unterteils (1) eingehängt ist.

[0017] Das Unterteil (1) verengt sich nach unten zur Verbindung (110) mit dem Fördersystem (8). Um den Druck des Kohlungsguts auf das Fördersystem (8) zu verringern und ein Durchfallen in der Mitte des Unterteils zu verhindern, sind Stufen in Form von gegenläufig abfallenden Leitflächen (16) im Unterteil (2) unterhalb der Kohlungszone (106) angebracht.

[0018] Über das Fördersystem (8) gelangt die Holzkohle in den luftdicht abgeschlossenen, auswechselbaren Aufnahmebehälter (12). Der luftdichte Abschluss des gesamten Reaktors (100) inklusive des Fördersystems (8) und des Aufnahmebehälters (12) dienen der genauen Kontrolle der Frischluftzufuhr zur Kohlungszone, wodurch eine genaue Steuerung des Brenn- und Kohlungsvorganges und damit seine Optimierung möglich ist. Als Fördersystem (8) kann eines der bekannten eingesetzt werden, z.B. Kratzförderer, bei denen sich Förderzähne am Boden des Fördersystems (8) hin- und herbewegen. Die Zähne sind dabei allgemein sägezahnförmig ausgebildet mit der steileren Flanke zum Behälter (12) hin. Andere Förderer wie in der Technik an sich bekannt sind ebenfalls denkbar, wie z.B. Spiralförderer, Schneckenförderer oder eine Zellradschleuse, und auf eine detaillierte Beschreibung wird daher verzichtet. Zur Entnahme der fertigen Holzkohle ist der Schieber (14) zu schliessen, um den luftdichten Abschluss beim Öffnen des Behälters (12) sicherzustellen. Dann kann der Behälter (12) geöffnet und entleert werden.

[0019] Das beim Kohlungsprozess entstehende Rauchgas wird im oberen Bereich über den Rauchabzug (102) des Reaktors (100) abgeführt und zum Separator (7) geleitet, wo das Holzöl ausgeschieden wird. Der für den Prozess notwendige Luftzug wird über ein Sauggebläse (nicht dargestellt) am Anschluss (21) bewerkstelligt. Dadurch wird ein geringer Unterdruck im Reaktor (100) aufrechterhalten.

[0020] Der Separator (7) ist auch mit einer Einrichtung zur Überdrucksicherung versehen in Form eines mit Gewicht und/oder Federn belasteten Deckels (111). Im theoretisch denkbaren Fall eines Überdrucks durch eine momentane starke Gasentwicklung im Reaktor (100) wird der Überdruck durch selbsttätiges Öffnen des Deckels (111) abgeleitet.

[0021] Im laufenden Betrieb ist der Reaktor mit Material gefüllt: oberhalb der Kohlungszone (106) mit dem Einfüllgut, das in der Kohlungszone verbrennt und verkohlt, und unterhalb der Kohlungszone mit Holzkohle. Der Durchsatz wird damit u.a. von der Geschwindigkeit bestimmt, mit der das Fördersystem die Holzkohle transportiert. Die optimale Prozessführung erfolgt über die Abstimmung folgender Führungsgrössen: Luftmengensteuerung über das Sauggebläse am Abluftanschluss (21), Befüllungsmenge durch den Befüllungsgrad (Füllhöhe im Oberteil (2)), Temperaturverlauf in den verschiedenen Zonen und die Austrittsmenge pro Zeiteinheit. Weitere Messgrössen wie Unterdruck oder Rauchgaszusammensetzung können ebenfalls berücksichtigt werden. Mit einem Reaktor wurden in einem Versuchssystem bei einem Einsatz von 28 kg/h Holz 7 kg/h Holzkohle produziert. In einer grösseren Anlage wurde eine Produktion von 22 kg/h Holzkohle bei einem Verbrauch von 90 kg/h Holz erzielt. Die erfinderische Erweiterung am oben beschriebenen Reaktor umfasst den ganzen Reaktorteil von der Beschickung des Einfüllgutes (z.B. Holz) bis zum Austritt des fertig verkohlten Gutes (z.B. Holzkohle) und wird nun wie folgt beschrieben:

[0022] Gemäss Fig. 3 Das Grössergestalten des Raumes im oberen Bereich des Reaktors bedingt das seitliche Versetzen der Einfüllöffnung (33). Mit dem Höhersetzen des Schiebers (13B) mit Kragen (35) erreicht man eine geringere Wärmeeinwirkung und Diletation auf das Schiebermaterial. Dabei ist sicherzustellen, dass der Querschnitt der Einfüllöffnung (33) des Füllgutes nicht zu sehr einschnürt. Mit dem Absatz (40) kann das zu verkohlende Gut in die Mitte des Reaktors gelenkt werden. Die neue Rauchgasführung mit dem abgerundeten Führungsblech (32) dient der Trennung vom aufsteigenden Rauchgas zum runterfallenden Füllgut. Mit der zusätzlich grösseren Öffnung zum Separator und dem nachfolgenden verjüngten Verbindungsrohr (37) kann der Rauchgasfluss wesentlich verbessert werden. Der Vorteil ist, dass die Verkrustungsbildung wesentlich reduziert werden kann. Am Separator (7) wird zusätzlich, gegenüber dem Verbindungsrohr (37), ein Reinigungsstutzen (39) mit einem Abschlussdeckel eingesetzt.

[0023] Gemäss Fig. 4 Die Lufteintrittseinrichtung besteht aus einer Vielzahl von Lufteinlässen (41) in die Kohlungszone und werden neu über einen ringförmig angelegten Luftkanal (42) gesammelt, das heisst die einzelnen Zuluftrohre (41) sind dort eingelassen, wobei der Luftkanal selber segmentiert sein kann. Die Eintrittsöffnung des Luftkanals, es können auch mehrere sein, ist jeweils mit Schliesseinheiten (43) bestückt, damit kann die Luftmenge von Hand oder über einen Antrieb mit einer übergeordneten Steuerung oder Regeleinheit bedient werden. Dadurch kann eine automatische Prozesssteuerung ermöglicht werden, und der Prozessablauf kann wesentlich vereinfacht gestaltet werden.

[0024] Gemäss Fig. 5 Damit das gleichmässige Absenken des Verkohlungsgutes in und unterhalb der Verkohlungszone gleichmässiger erfolgen kann, kann an Stelle der gegenläufigen abfallenden Leitflächen (16) gemäss Fig. 1 dies mit einer Dosiereinrichtung (45) ausgeführt werden, bestückt mit mehreren Förderspiralen (46) die gegenläufigen und von der Mitte des Reaktor in der Bewegungsrichtung nach aussen, mit zunehmender Steigung versehen sind. Zum Wegfördern der Holzkohle ab der Dosiereinrichtung und den beiden seitlich angeordneten Fallkanälen (47 + 48) sind auch andere Fördersysteme (49) wie Schneckenförderer, Kratz- und Schubboden sowie Walking-Flow-Systeme einsetzbar.

[0025] Durch diese gegenüber dem Stand der Technik beschriebene Erweiterung kann der Verkohlungsprozess wesentlich effizienter geführt werden. Mit der Möglichkeit der geregelten Luftmengenzufuhr ist ein automatisch geführter Betrieb möglich. Damit lassen sich auch tiefere Produktionskosten realisieren. Aus der vorangehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemässen Reaktors sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, die durch die Ansprüche definiert ist.

Claims (4)

1. Reaktor (100) zur Erzeugung von Holzkohle in senkrechter Aufstellung des Reaktionsraumes, welcher Reaktionsraum in einem Unterteil (1) und einem Oberteil (2) aufgenommen ist, wobei der Oberteil (2) zur Aufnahme von zu verkohlendem Gut, namentlich Holz, dient und sich am oberen Ende des Unterteils der Kohlungszone (106) befindet, die im Wesentlichen eine Luftzutrittseinrichtung (10) zum Einleiten von Luft in den Reaktionsraum, einen Korb (4) mit einer Vielzahl von Durchgängen (107), die über den Korb (4) verteilt sind, und einen freien, im Wesentlichen ringförmig verlaufenden Raum zwischen Luftzutrittseinrichtung (10) und Korb (4) zur Verteilung der eintretbaren Luft über den Umfang des Korbes (4) umfasst, so dass Luft in der Kohlungszone (106) umfangmässig im Wesentlichen gleichmässig verteilt in das Kohlungsgut einleitbar ist, um eine Verbrennung mit gleichzeitiger Verkohlung wenigstens in der Kohlungszone (106) unterhalten zu können, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzutritteinrichtung (10), bestehend aus einer Vielzahl von Rohrstücken (41), welche mit einem ringförmig angelegten Kanal (42) verbunden sind und ebenfalls strömungsmässig mit dem ringförmig verlaufenden Raum verbunden sind, wobei eine Rauchgasführung, die im Oberteil (2) angeordnet ist, eine Einlassöffnung zum Einbringen des Verkohlungsgutes aufweist, welche seitlich versetzt zur Mitte der Achse des Reaktionsraums angeordnet ist, wo stromauf bei der Einlassöffnung ein Kragen (35) angeordnet ist, auf welchem ein Schieber (36) aufgesetzt ist und ein gebogenes Führungsblech (32), das seitlich der Einlassöffnung zu liegen kommt, angeordnet ist, wobei die im untersten Teil des Reaktors eingebaute Dosierungseinrichtung (45) sicherstellen kann, dass das Verkohlungsgut gleichmässig auf die ganze Fläche verteilt absinken kann, in dem das Verkohlungsgut mit einer oder mehreren von der Achse des Reaktors gegenläufig angeordneten und mit zunehmender Steigung versehenen Förderspiralen eines Fördersystems (46) wegförderbar ist, so dass das Verkohlungsgut beidendig der Förderspirale in Kanäle (47; 48) ausgetragen werden kann.

2. Reaktor (100) gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Separator (7) über ein Verbindungsrohr (37) an die Rauchgasführung angeschlossen ist und zwecks Reinigung auf der dem Verbindungsrohr (37) gegenüberliegenden Seite des Separators (7) ein Reinigungsstutzen (39) mit einem Abschlussdeckel eingesetzt ist.

3. Reaktor (100) gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Kanal (42) segmentiert ist und entsprechende Öffnungen für die Eingangsluft besitzt, die mit Absperrorganen (43) versehen sind, um die zum Betrieb notwendige Luftmenge entweder von Hand oder über eine automatische Steuerung einströmen zu lassen.

4. Reaktor (100) gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wegfördern des Verkohlungsgutes ab den Kanälen (47, 48) in der Dosiereinrichtung (45) ein weiteres Fördersystem (49) vorhanden ist, welches Schneckenförderer, Spiralförderer, Kratz- und Schubboden oder ein Walking-Flow-System umfasst.