DE102006007457B4

DE102006007457B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Gas aus kohlenstoffhaltigem Material

Info

Publication number: DE102006007457B4
Application number: DE102006007457A
Authority: DE
Inventors: Frank Lohmann; Jörg KEMPER
Original assignee: NATIVE POWER SOLUTIONS GmbH and Co KG
Current assignee: Me Muensterland Energy De GmbH
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-02-18
Also published as: DE102006007457A1; AR059537A1; WO2007093429A3; WO2007093429A2

Abstract

Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H₂ enthaltendem Gas mit den Schritten:
– zumindest teilweise Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials;
– Zerkleinerung der Pyrolyseprodukte und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials;
– Vergasung der Pyrolyseprodukte und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials,
dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material bei der Zerkleinerung auf Prozesstemperatur für die Vergasung gebracht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H₂ enthaltendem Gas mit den Schritten:

– zumindest teilweise Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials;
– Zerkleinerung der Pyrolyseprodukte und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials;
– Vergasung der Pyrolyseprodukte und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials;

₂

Vor dem Hintergrund sinkender Ressourcen an fossilen Brennstoffen bekommt die dezentrale Energieversorgung auf der Basis von Abfall oder Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen immer mehr Bedeutung. Bei der Biomassen- oder Abfallverbrennung wird Wärme erzeugt, die z.B. zum Heizen von Gebäuden oder von Wasser verwendet werden kann. Bei der Vergasung wird neben Wärme auch Brenngas erzeugt, das in Motoren zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Die Vergasung läuft allgemein in mehreren Schritten ab: dem Trocknen/Erhitzen als Vorbereitung, der Pyrolyse und der Vergasung, nämlich der Umsetzung der Pyrolyseprodukte durch Oxidation und Reduktion. Das entstehende Gas enthält u.a. Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan, die als Brennstoff dienen können. Die Zusammensetzung des entstehenden Gases hängt von dem verwendeten Reaktionsgas und der Temperatur ab, bei der die Vergasung abläuft. Zu höheren Temperaturen hin nimmt die Konzentration an Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu und nimmt die Konzentration an Methan ab.
Je höher die Temperatur ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass das entstehende Gas noch giftige oder krebserregende Komponenten wie z.B. Dioxin oder Teer enthält. Denn bei Temperaturen von 900°C und höher werden sie in unschädliche, flüchtige Substanzen wie etwa Kohlendioxid und Wasserstoff aufgespalten. Eine Möglichkeit, hohe Temperaturen von 900°C und mehr bereitzustellen, bietet die Verwendung eines Plasmabrenners.
Aus der DE 32 33 774 A1 sind ein Verfahren und eine Anlage zur Vergasung kohlehaltigen Materials zu einer hauptsächlich aus CO und H₂ bestehenden Gasmischung bekannt, bei denen das kohlehaltige Material in stückiger Form in einen Schachtofen bis zu einer vorgegebenen Füllhöhe eingegeben wird. Der Schachtofen weist am Boden Plasmabrenner auf. Außer Wärmeenergie durch die Plasmabrenner wird auch Oxidationsmittel in Form von O₂, CO₂ oder H₂O zugeführt. Das kohlehaltige Material wird infolgedessen unter oxidierenden Bedingungen einer hohen Temperatur unterworfen. Daraufhin werden die flüchtigen Bestandteile frei und reagieren mit dem Oxidationsmittel. Der nichtflüchtige Teil wird hingegen verkokt. Oxidationsmittel, das mit den flüchtigen Bestandteilen nicht reagiert hat, kann weiter unten im Schachtofen mit dem erzeugten Koks reagieren und zusätzlich CO und möglicherweise H₂O bilden. Nach oben entweichendes CO₂ und H₂O kann mit dem nach unten fallenden kohlenstoffhaltigen Material zu CO und H₂ reagieren. Das den Schachtofen verlassende Gas hat eine Temperatur von maximal 1500°C. An der Oberfläche des körnigen Materials im Schachtofen kann die Temperatur etwa 2000°C erreichen.
In Born, M. u. Berghoff, R.: Vergasungsverfahren für die Entsorgung von Abfällen, Springer-VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1988, S.20-22 werden Kombinationsverfahren von Pyrolyse und Vergasung behandelt. Für den Fall einer Prozesstrennung von Pyrolyse und Vergasung ist vorgesehen, dass der Pyroslysekoks gesiebt und gemahlen wird, bevor er einem Druckreaktor zugegeben wird.
Auch gemäß der DE 41 39 512 A2 wird im Rahmen der thermischen Verwertung von Abfallstoffen der feste Pyrolyserückstand vor der Vergasung zerkleinert.
Bei der Kohle-Müll-Vergasung gemäß der DE 30 04 111 A1 wird vor der Vergasung der Pyrolkoks auf Wirbelbettkorngröße zerkleinert, und zwar vorzugsweise unter Ausschaltung von Wärmeverlusten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei denen das kohlenstoffhaltige Material für die Vergasung aufbereitet wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H₂ enthaltendem Gas mit den Schritten:

– zumindest teilweise Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials;
– Zerkleinerung der Pyrolyseprodukte und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials;
– Vergasung der Pyrolyseprodukte und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials,

Durch das Zerkleinern wird die Oberfläche des zu vergasenden Materials vergrößert, was zu einer signifikanten Beschleunigung des Vergasungsprozesses führt. Dies wird dadurch unterstützt, dass die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material bei der Zerkleinerung auf Prozesstemperatur für die Vergasung gebracht werden. Außerdem wird die Gesamtenergiebilanz verbessert. Denn im Gegensatz zur Zerkleinerung des Ausgangsmaterials vor der Pyrolyse, für die unter Umständen recht viel Energie benötigt wird, lassen sich die festen Pyrolyseproduke, bei denen es sich zum größten Teil um Kohle handelt, mit relativ wenig Aufwand und Energie zerkleinern.
Je nach Prozessparameter, insbesondere Temperatur und Reaktionspartner, kann die Vergasung auto- oder allotherm stattfinden. Um eine möglichst vollständige Vergasung sicherzustellen, wird vorzugsweise die Vergasung mit Hilfe von externem Wärmeeintrag durchgeführt. Besonders bevorzugt ist dabei, den externen Wärmeeintrag durch ein Plasma, z.B. ein Inertgas-Plasma oder Sauerstoff-Plasma zu leisten. Denn mit Hilfe eines Plasmas lassen sich problemlos Temperaturen erreichen, bei denen gewährleistet ist, dass auch Rückstände von Teer oder gesundheitsschädliche Verbindungen aufgespalten und in insbesondere CO und H₂ umgewandelt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Wasserdampf-Plasma erwiesen: Es besteht aus O-, H-, OH-, O₂-, H₂- und H₂O-Radikalen, die sehr gut mit den Pyrolyseprodukten und ggf. noch nicht pyrolysiertem kohlenstoffhaltigen Material reagieren. Außerdem ist die Enthalpiedichte von Wasserdampf- Plasma sehr hoch. Diese Eigenschaften führen zu einer Beschleunigung des Vergasungsprozesses. Da außerdem der thermische Wirkungsgrad von Wasserdampf-Plasmaquellen bei 70-90% liegt, ist die Verwendung von Wasserdampf-Plasma wirtschaftlich im Betrieb. Vorteilhaft ist die Verwendung sowohl von reinem Wasserdampf-Plasma als auch Plasma aus Wasserdampf mit Additiven oder aus Gasgemischen mit Wasserdampf als Reaktionsbeschleuniger.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Pyrolyse mittels Mikrowellenbestrahlung durchgeführt. Durch Einkoppeln von Energie über Mikrowellen in das kohlenstoffhaltige Material wird erreicht, dass das kohlenstoffhaltige Material mit wenig Aufwand vollständig durchdrungen und rasch von innen nach außen aufgeheizt wird. Bei Feuchtigkeit enthaltendem kohlenstoffartigen Material wird außerdem erreicht, dass es hinreichend getrocknet wird und die Feuchtigkeit in Wasserdampf umgewandelt wird, der dann beim Vergasen als Oxidationsmittel zur Verfügung steht. Da das kohlenstoffhaltige Material von innen nach außen aufgeheizt wird, wird eine Verbrennung unterdrückt und stattdessen das kohlenstoffhaltige Material pyrolytisch in flüchtige Kohlenstoffverbindungen und nichtflüchtige Kohlenstoffverbindungen mit kürzeren Kohlenstoffketten aufgespalten. Diese Pyrolyseprodukte dienen im Folgenden als Edukte für die Vergasung, die aufgrund der bereits zumindest zum Teil durchgeführten Pyrolyse schneller und effizienter abläuft.
Ein bedeutender Vorteil besteht darin, dass es sich besonders gut auch in klein dimensionierten Anlagen für die dezentrale Energieversorgung anwenden lässt. Denn durch die Vorbehandlung mittels Mikrowellen kann z.B. sogar Hausmüll oder Biomasse in Form von Gartenabfällen ohne aufwendige vorherige Aufbereitung verwendet werden. Das Trocknen und Erhitzen sowie die Pyrolyse werden nämlich zum großen Teil oder vollständig durch die Mikrowellenbestrahlung erreicht.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, das kohlenstoffhaltige Material vor und/oder während und/oder nach der Mikrowelleneinstrahlung zu verdichten und/oder zu heizen. Z.B. kann durch konventionelle Heizmittel das kohlenstoffhaltige Material von außen nach innen vorgewärmt bzw. nach oder parallel zur Mikrowellenbestrahlung aufgewärmt werden. Das Verdichten führt zu einem effizienteren Energieeintrag durch Mikrowellenbestrahlung und/oder Wärmestrahlung und wird bevorzugt vor der Mikrowellenbestrahlung und/oder ggf. vor der Wärmebestrahlung durchgeführt. Dadurch wird eine möglichst vollständige Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials durch die Mikrowelleneinstrahlung erreicht.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H₂ enthaltendem Gas mit einer Pyrolysestation und einem Vergasungsreaktor gelöst, bei der im Vergasungsreaktor eine Zerkleinerungseinheit angeordnet ist, die die nichtflüchtigen Pyrolyseprodukte zerkleinert. Falls kohlenstoffhaltiges Material nicht vollständig pyrolysiert sein sollte, wird auch dies mit Hilfe der Zerkleinerungseinheit zerkleinert. Durch Anordnung der Zerkleinerungseinheit im Vergasungsreaktor werden bei der Zerkleinerung die nichtflüchtigen Pyrlyseprodukte bzw. das kohlenstoffhaltige Material auf Prozesstemperatur für die Vergasung gebracht.
Vorzugsweise weist der Vergasungsreaktor mindestens eine Wärmequelle auf, mit deren Hilfe die Vergasung der zerkleinerten Pyrolyseprodukte sowie des zerkleinerten kohlenstoffhaltigen Materials, falls es nicht vollständig pyrolysiert wurde, stattfindet. Bei Wahl geeigneter Reduktions- und Oxidationsmittel und entsprechender Prozessbedingungen kann die Vergasung aber auch autotherm ablaufen, so dass auf die Wärmequelle auch verzichtet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Pyrolysestation als Mikrowellenstation ausgebildet, um das kohlenstoffhaltige Material möglichst effizient in Pyrolyseprodukte aufzuspalten und ggf. auch zu trocknen und/oder zu erhitzen.
Vorteilhafterweise weist die Pyrolysestation eine Verdichtungseinheit und/oder eine Heizeinheit auf. Je nach Ausführungsform können Verdichtungseinheit und/oder die Heizeinheit der Pyrolysestation vorgeschaltet oder in sie integriert sein. Die Integration in die Pyrolysestation bietet sich insbesondere an, wenn gleichzeitig mit Mikrowellen bestrahlt und verdichtet und/oder durch Strahlungswärme erhitzt werden soll. Insbesondere die Verdichtungseinheit erlaubt eine kompaktere Bauweise der Mikrowellenstation, die sich mit weniger Aufwand wärmeisolieren lässt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zerkleinerungseinheit als Schabeinheit ausgebildet, die die Oberfläche der Pyrolyseprodukte und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials, das oder die aus der Mikrowellenstation austreten, abschabt. Die Schabeinheit gibt während des Schabvorgangs durch unmittelbaren Kontakt die Vergasungsprozesstemperatur an die frische Schabstelle des abgeschabten Materials ab. Auf diese Weise wird der Energieeintrag in die Materialpartikel beschleunigt. Außerdem entsteht durch den Schabvorgang eine rissige Oberfläche, wodurch eine weitere Vergrößerung der Vergasungsoberfläche erfolgt.
Vorteilhafterweise ist die Schabeinheit als Anordnung von an den Pyrolyseprodukten und/oder dem kohlenstoffhaltigen Material vorbeiführbaren Klingen ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schabeinheit als rotierbares Schabteil ausgebildet, das auf der den austretenden Pyrolyseprodukten und/oder dem kohlenstoffhaltigen Material zugewandten Seite Durchbrechungen aufweist. Die Ränder der Durchbrechungen schaben von den nichtflüchtigen Materialien Partikel ab, die durch die Durchbrechungen in den Reaktor gelangen.
Für ein besonders effizientes Abschaben ist der Austritt aus der Pyrolysestation als Rohr ausgebildet und ragt das rotierende Schabteil in das Rohr hinein. Um dabei möglichen Verstopfungen vorzubeugen, ist das Schabteil in Rohrrichtung axial verschiebbar angeordnet.
Vorzugsweise ist das Schabteil aus Keramik, um eine lange Lebensdauer auch bei hohen Vergasungstemperaturen zu gewährleisten.
Vorzugsweise handelt es sich bei der mindestens einen Wärmequelle um mindestens einen Plasmabrenner, besonders bevorzugt um mindestens einen Wasserdampf-Plasmabrenner. Mit Hilfe von Plasmabrennern lassen sich hinreichend hohe Temperaturen erreichen, dass auch giftige und unerwünschte Verbindungen in CO und H2 aufgespalten werden. Bei der Verwendung von insbesondere Wasserdampf-Plasmabrennern wird mit dem Plasma auch notwendiges Oxidationsmittel zur Verfügung gestellt.
Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Gaserzeugung;
2 einen horizontalen Schnitt durch die Vorrichtung aus 1;
3 einen vertikalen Schnitt in Längsrichtung durch die Vorrichtung aus 1 in vereinfachter Ansicht;
4 einen vertikalen Schnitt senkrecht zur Längsrichtung durch die Vorrichtung aus 1 in vereinfachter Ansicht;
5 eine schematische Detailansicht einer ersten Ausführungsform einer Schabeinheit;
6a, b eine schematische Detailansicht einer zweiten Ausführungsform einer Schabeinheit von der Seite und in Draufsicht;
7 einen horizontalen Schnitt durch eine Vorrichtung wie in 1 bis 4 mit der Schabeinheit aus 6a, b;
8a, b eine schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform der Schabeinheit aus 6a, b; und
9 schematisch den Materialfluss einer Vergasung.
Die 1 zeigt einen Gaserzeuger 1 auf einer Auflage 108, der für eine Leistung von etwa 100 kW_el(netto) ausgelegt ist. Das Ausgangsmaterial kann Industriemüll oder Hausmüll sein oder Biomasse auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen, wie etwa Gartenabfälle, Hackschnitzeln, vorzugsweise einer Körnung von etwa 6-20 mm, Sägemehl, Pellets, Schalen, Spelzen oder Stroh. Auch fossile Brennstoffe lassen sich in dem Gaserzeuger vergasen.
Das kohlenstoffhaltige Material wird über den Trichter 100 eingefüllt. Unter Nutzung der Abwärme eines Gaskühlers 10 in Form eines Wärmetauschers, ggf. kombiniert mit einem Gaswäscher, lässt sich das kohlenstoffhaltige Material 2 dort bereits auf ca. 60°-80°C vorwärmen (siehe auch Bezugszeichen 201, 9).
Mit Hilfe einer Transportschnecke 102 (siehe auch 2, 3) mit Antrieb 104 wird das kohlenstoffhaltige Material 2 in einen Reaktor 6 weiterbefördert. Dort wird das kohlenstoffhaltige Material 2 auf ungefähr 400-500°C aufgewärmt. Dies geschieht überwiegend über Mikrowellen, die im Mikrowellengenerator 31 erzeugt werden, und eine Heizeinrichtung 62, die die Abwärme des primären Reaktors 4, in dem die Vergasung stattfindet nutzt, oder extern mit Energie versorgt wird, z.B. als elektrischer Ofen, oder eine Kombination von interner und externer Energie nutzt. Die Heizeinrichtung 62 ist an den Reaktor 6 angeschlossen und dem Mikrowellengenerator 31 vorgeschaltet.
Zusätzlich wird das kohlenstoffhaltige Material 2 durch ein von der Heizeinrichtung 62 umgebenes Quetschteil 61 geführt. Das Quetschteil ist konisch ausgebildet, wobei sich sein Querschnitt in Förderrichtung verjüngt. Dadurch wird das kohlenstoffhaltige Material 2 vor der Mikrowellenzone 32 luftdicht verdichtet.
Durch die Heizeinrichtung 62 wird das kohlenstoffhaltige Material 2 von außen nach innen aufgeheizt. Durch die Mikrowelleneinstrahlung in der Mikrowellenstation 3 wird das kohlenstoffhaltige Material 2 durchdrungen und von innen nach außen aufgeheizt. Diese Kombination aus zugeführter Strahlungswärme und Mikrowellenbestrahlung führt zum bestmöglichen Wärmeeintrag in das kohlenstoffhaltige Material 2.
Durch den Wärmeeintrag wird das kohlenstoffhaltige Material 2 auch getrocknet. Das ist insbesondere bei nicht weiter vorbehandelten Ausgangsmaterialien wie Industrie- oder Hausmüll oder Gartenabfällen, aber auch allgemein bei Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen vorteilhaft. Der Gaserzeuger 1 ist daher unempfindlich gegen auch größere Schwankungen im Feuchtigkeitsgehalt des kohlenstoffhaltigen Materials 2. Die Feuchtigkeit tritt als Wasserdampf aus dem kohlenstoffhaltigen Material 2 aus und dient beim Vergasungsprozess als Oxidationsmittel.
Der hohe Wärmeeintrag, insbesondere ins Innere des kohlenstoffhaltigen Materials 2 durch die Mikrowellenbestrahlung, löst die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials 2 aus. Bei der Pyrolyse werden u.a. die längerkettigen Moleküle des kohlenstoffhaltigen Materials 2 in kürzere Moleküle aufgespalten. Es bilden sich flüchtige und nichtflüchtige Pyrolyseprodukte, die als Edukte für die folgende Vergasung benutzt werden. Um den Energieeintrag durch Mikrowellenbestrahlung gezielter umzusetzen, wird das kohlenstoffhaltige Material 2 durch ein Zuführrohr 33 geführt, damit das gesamte kohlenstoffhaltige Material 2 durch die Mikrowellenzone 32 geführt wird. Insbesondere, wenn Pellets oder vergleichbares Biomaterial als Ausgangsmaterial 2 verwendet werden, werden die molekularen Strukturen durch die Mikrowellenbestrahlung geradezu aufgebrochen, wodurch die Pyrolyse effizienter abläuft. Durch die luftdichte Verdichtung im Quetschteil 61 vor der Mikrowellenzone 32 wird gewährleistet, dass möglichst kein Stickstoff aus der Umgebungsluft eintritt, der den Brennwert des erzeugten CO und H₂ enthaltenden Gases herabsetzen würde.
Die Dimensionierung des Mikrowellengenerators 31 hängt insbesondere von der Ausdehnung der Mikrowellenzone 32, der Dichte des kohlenstoffhaltigen Materials 2 und der gewünschten Temperatur ab. Die Wahl der Frequenz kann durch staatliche Bestimmungen eingeschränkt sein. Z.B. sind in Deutschland nur die Frequenzen 24,25GHz, 5,8GHz, 2,45GHz und ausnahmsweise 915MHz für die Mikrowellenerwärmung zugelassen. Statt eines Mikrowellengenerators können auch zwei, drei oder mehr eingesetzt werden, wobei sich entweder eine zusammenhängende Mikrowellenzone oder mehrere separate Mikrowellenzonen bilden können.
Das Zuführrohr 33 führt in den Vergasungsreaktor 4, in den auch ein Plasmabrenner 5 mündet und in dem die Vergasung stattfindet. Das Zuführrohr 33 führt durch eine im Vergasungsreaktor 4 angeordnete Siebtrommel 42. Die Siebtrommel 42 ist um ihre Längsachse drehbar gelagert und wird über den Antrieb 106 gedreht. Die Längsachse der Siebtrommel 42 ist im vorliegenden Beispiel parallel zum Zuführrohr 33. An der Umfangswand der Siebtrommel 42 sind innen Siebtrommelfächer 43 angeordnet (siehe insbesondere 4). Außerdem ist an der dem Plasmabrenner 5 zugewandten Seite der Siebtrommel 42 eine Schabeinheit 7, hier in Form von fünf Klingen 71, angebracht, die mit der Siebtrommel 42 mitgeführt werden, dabei am Ausgang des Zuführrohrs 33 vorbeigeführt werden und die Oberfläche des austretenden Materials, d.h. der nichtflüchtigen Pyrolyseprodukte 21 und ggf. des noch nicht vollständig pyrolytisch umgesetzten Ausgangsmaterials 2, abschaben, wodurch kleine Partikel 25 entstehen (siehe auch 5). Insbesondere das bereits vollständig pyrolysierte Material ist sehr brüchig, so dass es sich leicht zerbröckeln lässt. Zusätzlich zur Oberflächenvergrößerung durch Partikelbildung an sich führt der Vorgang des Schabens zu einer rissigen und damit besonders großen Oberfläche, die für den Vergasungsprozess zur Verfügung steht, wodurch der Vergasungsprozess viel schneller und effizienter ablaufen kann.
Gegenüber dem Ausgang des Zuführrohrs 33 mündet der Heißgasstrom 23 des Plasmabrenners 5 in den Vergasungsreaktor 4. Daher werden die abgeschabten Partikel 25 unmittelbar dem Heißgasstrom 23 ausgesetzt. Außerdem durchlaufen die Klingen 71 der Schabeinheit 7 ständig den Heißgasstrom 23, so dass sie ebenfalls die Prozesstemperatur von etwas 950°-1050°C haben und durch den unmittelbaren Kontakt beim Abschaben diese Temperatur an die zugeführten Pyrolyseprodukte 21 und ggf. das kohlenstoffhaltige Material 2 abgeben. Dadurch sind die Partikel 25 in kürzester Zeit auf Prozesstemperatur und können vergast werden. Durch die Temperatur von 950°C und mehr in der Vergasungszone wird gewährleistet, dass auch gesundheitsschädliche Kohlenstoffverbindungen und Teer möglichst vollständig vergast werden und außerdem der Gehalt an CO und H₂ am Vergasungsprodukt möglichst hoch ist.
Im Heißgasstrom herrschen Turbulenzen, die zu einer raschen Vermischung der abgeschabten Partikel mit dem restlichen Reaktorinhalt, d.h. mit den Reaktionspartnern für die Vergasung führen. Dadurch findet die Vergasung schneller und intensiver statt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad erhöht wird. Partikel 25, die im Reaktorinnenraum absinken und sich vom Heißgasstrom 23 entfernen, werden von der Siebtrommel 42 in ihren Fächern 43 aufgefangen, zurück zum Heißgasstrom transportiert und dort in den Heißgasstrom geschüttet, so dass sie wieder besser für die Vergasung zur Verfügung stehen. Der gesamte Reaktorinhalt wird ständig umgewälzt, was die Vergasung weiter fördert.
Eine weitere Ausführungsform einer Schabeinheit ist in den 6a, b im Detail und in 7 als Bestandteil des Gaserzeugers dargestellt. Es handelt sich um ein rotierendes Schabteil 72, die am Austritt des Zuführrohrs 33 angeordnet ist. Das Schabteil 72 besteht aus einer keramischen Scheibe mit stirnseitig angeordneten Fenstern 75. Im Gegensatz zur Schabeinheit 7 mit Klingen 71, die über die Siebtrommel 42 angetrieben wird, wird das rotierende Schabteil 72 über eine Welle 73 angetrieben. Durch die Drehbewegung werden von den nichtflüchtigen Pyrolyseprodukten 21 Partikel 25 abgeschabt. Diese fliegen durch die stirnseitigen Fenster 75 aus dem Zuführrohr 75 in den Heißgasstrom 23 des Plasmabrenners 5. Da die flüchtigen Pyrolyseprodukte sowie der auch schon bei der Trocknung entstandene Wasserdampf ebenfalls durch die Fenster 75 aus dem Zuführrohr 33 entweichen müssen, findet eine intensive Vergasung bereits im Bereich der Fenster 75 stattfinden, die wie kleine Reaktorkammern wirken. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad des Gaserzeugers 1 weiter erhöht.
Eine besondere Ausführungsform eines rotierenden Schabteils ist in den 8a, b dargestellt. Das rotierende Schabteil 72' weist zusätzlich zu den stirnseitig angeordneten Fenstern radial angeordnete Fenster 74 auf. Es dreht sich im Zuführrohr 33 und wird wie zuvor über die Welle 73 angetrieben.
Der Antrieb 105 des rotierenden Schabteils 72' besteht im Wesentlichen aus einer Antriebsbuchse 81, die in einem Gehäuse (nicht dargestellt) drehbar gelagert ist. Die Drehbewegung erfolgt im vorliegenden Beispiel über ein Kettenrad 87. Ebenso kann aber auch ein Zahnrad, ein Zahnriemen, ein Keilriemen oder Ähnliches verwendet werden. Die Welle 73 wird in der Antriebsbuchse 81 radial geführt, kann sich dabei aber axial bewegen.
Am rechten Ende der Welle 73 ist kraft- und/oder formschlüssig ein Mitnahmestern 82 befestigt und über Verschraubung 86 gesichert. Der Mitnahmestern 82 greift in kreisförmig angeordnete Nuten in der Antriebsbuchse 81. Dadurch überträgt sich die Drehbewegung von der Antriebsbuchse 81 auf die Welle 73. Axial kann sich der Mitnahmestern 82 innerhalb der Nuten bewegen. Die Axialbewegung wird nach rechts durch eine hintere Wegbegrenzung 83, die mit der Antriebsbuchse 81 verschraubt ist, begrenzt. Nach links ist die Axialbewegung gegen die Kraft einer Feder 84 bis zum Ende der Nuten in der Antriebsbuchse 81 möglich.
In 8a ist der Normalbetrieb des rotierenden Schabteils 72' dargestellt. Während es sich dreht, liegt der Mitnahmestern 82 an der hinteren Wegbegrenzung 83 und werden die radialen Fenster 74 vom den Wänden des Zuführrohrs 33 abgedeckt. In 8b erhöht sich der axiale Druck auf das rotierende Schabteil 72' durch eine drohende Verstopfung des Zuführrohrs 33. Übersteigt die Axialkraft des rotierenden Schabteils 72' die Kraft der Feder 84, bewegt sich das rotierende Schabteil 72' in der Zeichnung nach links aus dem Zuführrohr 33 und gibt damit die radial angeordneten Fenster 74 frei. Durch die Fenster 74 hindurch können nun nichtflüchtige Pyrolyseprodukte 21 aus dem Zuführrohr 33 austreten und dessen Verstopfen verhindern.
Durch einen Sensor 85 im Bereich der Antriebsbuchse 81 kann die axiale Position des Mitnahmestern 82 definiert werden und so über eine Steuerung der Eingangsgrößen „Drehzahl der Schabvorrichtung" und „Geschwindigkeit der Materialzufuhr" der Verstopfungsgefahr entgegengewirkt werden. Außerdem ermöglicht die Wegmessung des Mitnahmesterns 82 eine Bestimmung des Verschleißzustandes des rotierenden Schabteils 72.
Beim Plasmabrenner 5 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um einen Wasserdampf-Plasmabrenner. Die Zusammensetzung des Wasserdampfplasmas fördert den Vergasungsprozess sehr stark, den es besteht aus den Radikalen O, H, OH, O₂, H₂ und H₂O bei einer mittleren Temperatur im Bereich von 4000°C und Spitzenwerten im Kern der Plasmaflamme von ca. 12000°C. Die Enthalpiedichte von Wasserdampf ist sehr hoch und der thermische Wirkungsgrad von Wasserdampfquellen liegt bei 70%-90%. Außerdem ist Wasserdampf leicht verfügbar. Wasserdampfplasma wirkt daher nicht nur beschleunigend auf den Vergasungsprozess, sondern ist auch aus wirtschaftlichen Aspekten vorteilhaft.
Um die Verweilzeit der Partikel 25 bis zur möglichst vollständigen Vergasung zu verkürzen, wird über die Leitung 41 (3) Reaktorinhalt der Plasmaflamme 51 zugeführt. Dort findet die Vergasung besonders intensiv statt. Außerdem führt dies zu einer Zirkulation der Reaktorinhalts, da das der Plasmaflamme 51 zugeführte Gemisch aus Gas und Partikeln 25 als Heißgasstrom 23 wieder in den Reaktorinnenraum eintritt und dort zu Turbulenzen und einem verbesserten Wärmeübertrag auf die neu zugeführten Partikel 25 führt.
Im Reaktor 4 trifft das Gemisch aus Gas und Partikeln auch auf die Schabeinrichtung 7 und die Oberfläche der zugeführten Pyrolyseprodukte 21, ggf. auch des kohlenstoffhaltigen Materials 2 und erwärmt diese auf die Prozesstemperatur. Anschließend strömt es in den seitlichen oberen Bereich der Siebtrommel 42 und vermischt sich mit dem durch die Siebtrommel permanent hochgeförderten Material. Dadurch wird ein kontinuierlicher Vergasungsprozess aufrechterhalten. Durch dieses Umluftsystem läuft der Vergasungsprozess auch schneller ab.
Alle diese Maßnahme führen zu einer sehr stark verkürzten Verweilzeit des zu vergasenden Materials. Dadurch kann insbesondere der Vergasungsreaktor 4 deutlich kleiner dimensioniert werden, was zur Folge hat, dass die Isolationsverluste stark reduziert werden und der Gesamtwirkungsgrad signifikant erhöht werden kann. Die Baugröße des Gaserzeugers lässt sich so stark verringern, dass neben Anlagen im Leistungsbereich von ca. 100 kW_el(netto) und mehr auch Kleinanlagen für den Wohnbereich im Leistungsbereich von ca. 2-4 kW_el(netto) möglich sind.
Die bei der Vergasung entstehende Asche 24 wird durch die Siebtrommel 42 abgesiebt und fällt in den untersten Bereich des Vergasungsreaktors 4. Dort befindet sich eine Aschenauslass 114, durch den die Asche 24 ausgetragen wird (Bezugszeichen 203 in 9). Die übrigen Vergasungsprodukte 23 werden über den unteren Reaktorbereich mittels eines leichten Unterdrucks mithilfe eines Gebläses 128 aus dem Reaktorinnenraum zu einer Filtereinheit 112 abgezogen. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um Keramikfilterkerzen 113, die in das Reaktorgehäuse integriert sein können. Die Keramikfilterkerzen 113 dienen als Staubfilter und haben den Vorteil, dass das erzeugte Gas ohne vorherige Kühlung, also bei noch etwa 700°-800°C gefiltert werden kann.
Nach der Filterung könnte das erzeugte Heißgas zur Stromgewinnung unmittelbar einem Motor, der mit Heißgas betrieben werden kann, oder auch einem Porenbrenner zugeführt werden. Im vorliegenden Beispiel wird das Heißgas über eine Leitung 122 zu einer weiteren Station 120 geführt, die die Funktion eines Gas-Wasser-Wärmetauschers und/oder eines Wäschers hat. Dadurch lässt sich das Heißgas auf unter 50°C kühlen und reinigen. Außerdem lässt sich die Wärme nutzen, indem das aufgewärmte Kühlwasser, das über den Eingang 116 zugeleitet und den Ausgang 118 abgeleitet wird, mit Hilfe einer Pumpe 126 in die Gebäudetechnik eingespeist wird oder an einen externen Wärmetauscher weitergeleitet wird. Die Wärme lässt sich auch für das Vorwärmen des kohlenstoffhaltigen Materials 2 nutzen. Das abgekühlte Reingas wird mit Hilfe des Gebläses 128 über einen Unterdruck aus dem System abgezogen und zur weiteren Nutzung in einen externen Gasspeicher oder ein Blockheizkraftwerk abgeführt.

1: Gaserzeuger
10: Hausanlage
2: kohlenstoffhaltiges Material
21: nichtflüchtige Pyrolyseprodukte
22: flüchtige Pyrolyseprodukte
23: Heißgasstrom
24: Asche
25: abgeschabte Partikel
3: Mikrowellenstation
31: Mikrowellengenerator
32: Mikrowellenzone
33: Zuführrohr
4: Vergasungsreaktor
41: Umluftkanal
42: Siebtrommel
43: Siebtrommelfach
5: Plasmabrenner
51: Plasmaflamme
6: Reaktor
61: Quetschteil
62: Heizung
7: Schabeinheit
71: Klinge
72, 72': rotierende Schabevorrichtung
74: radial angeordnetes Fenster
75: stirnseitig angeordnetes Fenster
81: Antriebsbuchs
82: Mitnahmestern
83: hintere Wegbegrenzung
84: Feder
85: Sensor
86: Verschraubung
87: Kettenrad
100: Trichter
102: Transportschnecke
104: Antrieb Transportschnecke
105: Antrieb rotierende Schabvorrichtung
106: Antrieb Siebtrommel
108: Auflage
110: Wärmetauscher/Wäscher
112: Filtereinheit
113: Keramikfilterkerze
114: Ascheauslass
116: Kühlewassereingang
118: Kühlwasserausgang
120: Reingasauslass
122: Gasleitung
124: Einspeisung in Gebäudetechnik/externer Wärmetauscher
126: Pumpe
128: Gebläse
130: externer Gasspeicher/Blockheizkraftwerk/Motor
201: vorwärmen
203: Ascheaustrag

Claims

Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H₂ enthaltendem Gas mit den Schritten: – zumindest teilweise Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials; – Zerkleinerung der Pyrolyseprodukte und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials; – Vergasung der Pyrolyseprodukte und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material bei der Zerkleinerung auf Prozesstemperatur für die Vergasung gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung mit Hilfe von externem Wärmeeintrag durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Wärmeeintrag durch ein Plasma, insbesondere ein Wasserdampf-Plasma geleistet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse mittels Mikrowellenbestrahlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Material vor und/oder während und/oder nach der Mikrowelleneinstrahlung verdichtet und/oder geheizt wird.
Vorrichtung zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H₂ enthaltendem Gas mit einer Pyrolysestation und einem Vergasungsreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass im Vergasungsreaktor (4) eine Zerkleinerungseinheit (7, 71, 72, 72') angeordnet ist, die die nichtflüchtigen Pyrolyseprodukte (21) zerkleinert.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsreaktor (4) mindestens eine Wärmequelle (5) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolysestation als Mikrowellenstation (3) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolysestation (3) eine Verdichtungseinheit (61) und/oder eine Heizeinheit (62) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungseinheit als Schabeinheit (7, 71, 72, 72') ausgebildet ist, die die Oberfläche der Pyrolyseprodukte (21), die aus der Pyrolysestation (3) austreten, abschabt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schabeinheit als Anordnung von an den Pyrolyseprodukten (21) vorbeiführbaren Klingen (71) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schabeinheit als rotierbares Schabteil (72, 72') ausgebildet ist, das auf der den austretenden Pyrolyseprodukten (21) zugewandten Seite Durchbrechungen (74, 75) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt aus der Pyrolysestation (3) als Rohr (33) ausgebildet ist und das rotierende Schabteil (72, 72') in das Rohr (33) hineinragt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schabteil (72, 72') in Rohrrichtung axial verschiebbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schabteil (72, 72') aus Keramik ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mindestens einen Wärmequelle um mindestens einen Plasmabrenner (5) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um mindestens einen Wasserdampf-Plasmabrenner (5) handelt.