DE102006007458A1

DE102006007458A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Gas aus kohlenstoffhaltigem Material

Info

Publication number: DE102006007458A1
Application number: DE102006007458A
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: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-18
Also published as: AR059536A1; DE102006007458B4; BRPI0706811A2; EP1991641A1; CA2642590A1; US20100154728A1; WO2007093428A1

Abstract

Zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material (2) zu CO und H<SUB>2</SUB> enthaltendem Gas (23) wird das Trocknen und/oder das Erhitzen und die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials (2) zumindest zum Teil mit Hilfe von Mikrowelleneinstrahlung (32) durchgeführt und werden danach die Pyrolyseprodukte (21, 22, 25) und/oder das kohlenstoffhaltige Material (2) vergast. Dazu wird das kohlenstoffhaltige Material (2) in einer Mikrowellenstation (3) bestrahlt und dann zur Vergasung in einen Reaktor (4) weitergeleitet. Die Vergasung findet vorzugsweise mit Hilfe einer Plasmaquelle (5) statt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von CO und H₂ enthaltendem Gas aus kohlenstoffhaltigem Material. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Pyrolyse und Vergasung kohlenstoffhaltiger Materialien zu CO und H₂ enthaltendem Gas mit einem Vergasungsreaktor, einem mit Hilfe des CO und H₂ enthaltenden Gas angetriebenen Motor und einem vom Motor angetriebenen Stromgenerator.
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 zur 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.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei denen das kohlenstoffhaltige Material vorbehandelt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H₂ enthaltendem Gas, bei dem die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials zumindest zum Teil mit Hilfe von Mikrowellenbestrahlung durchgeführt wird und danach die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material vergast werden.

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 des erfindungsgemäßen Verfahrens 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.

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 werden die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material und/oder Vergasungsprodukte zumindest teilweise mehr als einmal dem externen Wärmeeintrag ausgesetzt werden. Dadurch wird die Effizienz des Vergasungsprozesses erhöht. Materialpartikel, seien es Pyrolyseprodukte oder ggf. noch nicht umgesetzte Ausgangsprodukte aus kohlenstoffhaltigem Material, die beim ersten Durchgang durch eine Zone mit externem Wärmeeintrag noch nicht vollständig vergast wurden, werden dies bei einem erneuten Durchgang durch eine solche Zone. Außerdem fördern sie den Wärmeübertrag auf neu zugeführte Materialpartikel, wodurch ebenfalls die Vergasungseffizienz zunimmt. Die Partikel können beispielsweise über ein Gebläse oder mechanisch derart geleitet werden, dass sie dem externen Wärmeeintrag erneut ausgesetzt werden. Bei der Verwendung einer Plasmaquelle zur Erzeugung des externen Wärmeeintrags werden sie vorzugsweise unter Ausnutzung eines Düseneffekts zum Plasma angesaugt. Sie kommen dadurch unmittelbar in die heiße Plasmaflamme, wodurch sich eine starke Volumenvergrößerung der gasförmigen Anteile ergibt. Diese Volumenvergrößerung hat eine Beschleunigung in Richtung weiterer, die Mikrowellenbestrahlung verlassende Pyrolyseprodukte und/oder verlassendem kohlenstoffhaltigen Material zur Folge. Die von der Plasmaflamme kommenden Anteile vermischen sich mit den neu von der Mikrowellenbestrahlung kommenden Anteilen, erhitzen sie schnell und beschleunigen den Vergasungsprozess.

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. 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. der Wärmebestrahlung durchgeführt. Dadurch wird eine möglichst vollständige Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials durch die Mikrowelleneinstrahlung erreicht.

Insbesondere, aber nicht nur, wenn das kohlenstoffhaltige Material verdichtet wurde, werden die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material nach der Mikrowelleneinstrahlung vorteilhafterweise zerkleinert. Dadurch wird die Oberfläche des zu vergasenden Materials vergrößert, was zu einer weiteren Beschleunigung des Vergasungsprozesses führt. 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 Pyrolyseprodukte, bei denen es sich zum größten Teil um Kohle handelt, mit relativ wenig Aufwand und Energie zerkleinern.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H₂ enthaltendem Gas gelöst, die mindestens eine Mikrowellenstation aufweist, um die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials zumindest zum Teil durchzuführen. Als vorteilhafter Nebeneffekt wird in der Mikrowellenstation das kohlenstoffhaltige Material bei Bedarf durch die Mikrowellenbestrahlung auch getrocknet und/oder erhitzt und nicht nur die molekularen Strukturen aufgebrochen.

Vorzugsweise schließt sich an die Mikrowellenstation ein erster Reaktor mit mindestens einer Wärmequelle an, in dem die Vergasung der Pyrolyseprodukte sowie des 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.

Die Mikrowellenstation kann im Vergasungsreaktor angeordnet sein. Zum Zweck einer optimierten Pyrolyse einerseits und einer optimierten Vergasung andererseits ist die Mikrowellenstation vorzugsweise in einem zweiten Reaktor angeordnet.

Vorteilhafterweise weist die Mikrowellenstation eine Verdichtungseinheit und/oder eine Heizeinheit aufweist. Je nach Ausführungsform können Verdichtungseinheit und/oder die Heizeinheit der Mikrowellenstation vorgeschaltet, in sie integriert oder ihr nachgeschaltet sein. Die Integration in die Mikrowellenstation 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.

Besonders bevorzugt ist die Heizeinheit als Porenbrenner ausgebildet. Zusätzlich zum Energieeintrag über Mikrowellenbestrahlung wird dadurch ein effizienter Wärmeeintrag durch Wärmestrahlung gewährleistet, der von außen nach innen auf das zu pyrolysierende Material wirkt, in Ergänzung der Wirkung der Mikrowellenbestrahlung von innen nach außen. Im Gegensatz zu konventionellen Brennern, wie etwa Gasbrennern, lassen sich mit Porenbrennern bedeutend höhere Temperaturen erreichen, was zu einem um ein Vielfaches höheren Wärmeeintrag führt.

Vorteilhafterweise ist im ersten Reaktor eine Mischeinheit angeordnet. Sie dient dazu, den bereits im ersten Reaktor vorhandenen Inhalt mit dem aus der Mikrowellenstation hinzukommende Inhalt zu vermischen. Dadurch wird der hinzukommende Inhalt schneller auf Vergasungstemperatur gebracht und der Vergasungsprozess beschleunigt. Vorzugsweise ist die Mischeinheit als drehbare Siebtrommel ausgebildet, die zusätzlich die Asche aussiebt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist im ersten Reaktor oder am Ausgang der Mikrowellenstation eine Zerkleinerungseinheit angeordnet. Sie dient dazu, die festen Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material nach der Mikrowelleneinstrahlung zu zerkleinern. Dadurch wird deren Oberfläche vergrößert und die Vergasung beschleunigt. Vorzugsweise 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. Besonders bevorzugt ist dabei die Zerkleinerungsvorrichtung an der Siebtrommel angeordnet, so dass die abgeschabten Partikel durch die Bewegung der Siebtrommel sofort mit dem bereits vorhandenen Reaktorinhalt vermischt werden.

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.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Plasmabrenner derart an den ersten Reaktor angeschlossen ist, dass dessen Plasmaflamme nicht oder nur zum Teil bis in den Reaktorinnenraum reicht, und führt eine zusätzliche Leitung von dem ersten Reaktor zur Plasmaflamme. Dadurch wird Reaktorinhalt zur Plasmaflamme angesaugt, der durch starke Erhitzung und dadurch bedingter Volumenvergrößerung des gasförmigen Anteils in den Reaktor hinein beschleunigt wird. In der Plasmaflamme selbst wird ein Materialanteil zu insbesondere CO und H₂ vergast und durch die Beschleunigung des Materials in den Reaktorinnenraum wird die Durchmischung im Reaktorinnenraum gefördert und dadurch der Vergasungsprozess beschleunigt. Da permanent in einer Art Düseneffekt Gas-Partikelgemisch aus dem Reaktorinnenraum durch die zusätzliche Leitung zur Plasmaflamme gesaugt wird, wird ein kontinuierlicher Vergasungsprozess aufrechterhalten. Der Vorteil dieses Umluftsystems liegt nicht nur darin, dass der Vergasungsprozess deutlich schneller abläuft und sich dadurch die Verweilzeit des Materials verkürzt. Der Reaktorraum kann auch deutlich kleiner dimensioniert werden, was zur Folge hat, dass die Isolationsverluste stark reduziert werden und der Gesamtwirkungsgrad sich erhöht. Die Strömung des Materials kann auch mechanisch oder mit Hilfe eines Gebläses aufrechterhalten werden oder den Düseneffekt unterstützen.

Ferner wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Pyrolyse und Vergasung kohlenstoffhaltiger Materialien zu CO und H₂ enthaltendem Gas gelöst mit einem Vergasungsreaktor, einem mit Hilfe des CO und H₂ enthaltenden Gas angetriebenen Motor und einem vom Motor angetriebenen Stromgenerator, wobei dem Vergasungsreaktor mindestens eine Mikrowellenstation vorgeschaltet ist, in der das kohlenstoffhaltige Material mittels Mikrowellenbestrahlung zumindest teilweise pyrolysiert wird. Durch die Kopplung einer Vorrichtung zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H₂ enthaltendem Gas, die mindestens eine Mikrowellenstation für die zumindest teilweise Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials aufweist, mit einem Motor, der das erzeugte CO- und H₂-haltige Gas zur Stromerzeugung nutzt, lassen sich ohne großen Aufbereitungsaufwand und energieeffizient kohlenstoffhaltige Materialien wie Hausmüll, Biomüll, Gartenabfälle, Pellets, u.ä. oder auch Industriemüll nicht nur in Wärmeenergie und chemische Energie, die im CO- und H₂-haltigen Gas gespeichert ist, umwandeln, sondern unmittelbar auch in elektrische Energie.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Motor ein Heißgasbrenner vorgeschaltet und ist der Motor als Stirlingmotor ausgebildet. Auf diese Weise lässt sich das erzeugte Gas ohne aufwendige Abkühlung, die bei üblichen Gasmotoren nötig wäre, unmittelbar weiterverwenden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie erhöht wird. Außerdem haben Stirlingmotoren den Vorteil relativ vibrationsarm zu sein, so dass die Geräuschbelastung entsprechend niedrig ist. Dies kommt der Verwendung insbesondere in kleineren Gebäude- bzw. Wohneinheiten entgegen.

Vorzugsweise ist der Heißgasbrenner als Porenbrenner ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die erlaubte Eingangstemperatur des Gases noch so hoch ist, dass störende Verunreinigungen wie z.B. Teer sich noch im flüchtigen Zustand befinden. Dadurch kann der Aufwand für die Reinigung des erzeugten Gases auf ein Minimum reduziert werden, was eine besonders kompakte und energieeffiziente Bauweise der Vorrichtung zu Erzeugung elektrischer Energie erlaubt.

Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten 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;
6 eine schematische Detailansicht eines Umluftkanals;
7 schematisch den Materialfluss einer Vergasung;
8a,b eine schematische Detailansicht einer zweiten Ausführungsform einer Schabeinheit von der Seite und in Draufsicht;
9 einen horizontalen Schnitt durch eine Vorrichtung wie in 1 bis 4 mit der Schabeinheit aus 8a,b;
10a,b eine schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform der Schabeinheit aus 8a,b;
11a,b,c Ansichten einer weitern Ausführungsform einer Vorrichtung zur Stromerzeugung perspektivisch von vorne und von hinten sowie von der Seite; und
12 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Gaserzeugung.
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, 7).
Mit Hilfe einer Transportschnecke 102 (siehe auch 2, 3) mit Antrieb 104 wird das kohlenstoffhaltige Material 2 in einen sekundären 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 primären Reaktor 4, in den auch ein Plasmabrenner 5 mündet und in dem die Vergasung stattfindet. Das Zuführrohr 33 führt durch eine im primären Reaktor 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.
In 12 ist ein Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Gasbrenners dargestellt und zwar senkrecht zum Zuführrohr 33. In diesem Beispiel ist für eine intensivere Pyrolyse die Mikrowellenstation mit einem Porenbrenner 63 kombiniert, der sich an den Mikrowellengenerator 31 anschließt und in seiner Geometrie derart angepasst ist, dass er das Zuführrohr 33 umschließt. Da Porenbrenner aus Keramik sind, sind deren Geometrien relativ frei wählbar. Die vorliegende Anordnung mit dem das Zuführrohr 33 umschließenden Porenbrenner 63 ist u.a. wegen des geringen Platzbedarfs vorteilhaft. Indem der Porenbrenner 63 in den Reaktor 4 hineinragt oder wahlweise auch vollständig im Reaktor 4 angeordnet ist, trägt er insbesondere in der Anfangsphase des Vergasungsvorganges zu einem Aufwärmen des Reaktors 4 bei. Der Porenbrenner 63 kann mit im Gaserzeuger erzeugtem CO- und H₂-haltigem Gas befeuert werden. Da Porenbrenner sehr hohe Gastemperaturen erlauben, kann ihm während des Vergasungsvorganges erzeugtes Gas ohne vorherige Kühlung, ggf. nach einer Staubfilterung sofort zugeführt werden. In dem in 12 gezeigten Beispiel erreicht der Porenbrenner 63 einen verglichen mit einem herkömmlichen Gasbrenner sechs mal so hohen Wärmeeintrag. Insgesamt verbessert der Einsatz eines Porenbrenners in Kombination mit der Mikrowellenpyrolyse die Gesamtenergiebilanz des Gasbrenners bei dennoch geringem Platzbedarf und eignet sich daher gerade auch für Gaserzeuger, die für den Hausgebrauch dimensioniert sind.
Gegenüber dem Ausgang des Zuführrohrs 33 mündet der Heißgasstrom 23 des Plasmabrenners 5 in den primären Reaktor 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 8a,b im Detail und in 9 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 10a,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 10a 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 10b 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 im Reaktor 4 bis zur möglichst vollständigen Vergasung noch weiter zu reduzieren, ist am Reaktor 4 ein primärer Umluftkanal 41 vorgesehen (siehe insbesondere 3, 6). Der primäre Umluftkanal 41 verbindet den unteren Bereich des Reaktors 4 mit dem Stutzen 52 des Wasserdampf-Plasmabrenners im oberen Bereich des Reaktors 4. Durch die Energiedichte der Plasmaflamme 51 wird über den primären Umluftkanal 41 ein Gemisch aus im Reaktor 4 befindlichem Gas 22, 23 und Partikeln 25 aus dem unteren Reaktorbereich angesaugt. Das Gemisch einer Temperatur von ca. 750°C gerät so über eine Art Düseneffekt unmittelbar in die 4000°C heiße Wasserdampf-Plasmaflamme 51, wodurch sich eine starke Volumenvergrößerung des Gases ergibt. Diese Volumenvergrößerung hat eine Beschleunigung des Gasgemischs in Richtung Reaktor 4 mit starken Turbulenzen zur Folge. Der Eintrittsquerschnitt in den Reaktor 4 ist konisch als Diffusor 52 ausgebildet, um diesen Vorgang noch zu verstärken. Außerdem sind zusätzlich sekundäre Umluftkanäle 44 vorgesehen, die Partikel 25 aus dem oberen Innenraum des Reaktors 4 in den Diffusor 52 leiten. Auch hier wird wieder der Düseneffekt ausgenutzt. Mit Hilfe der sekundären Umluftkanäle 44 wird zusätzlich zur Wirkung des primären Umluftkanals 41 eine bessere Durchmischung des Reaktorinhalts im oberen Reaktorraum erreicht. Außerdem läuft in der Plasmaflamme 51 und ihrer unmittelbaren Umgebung die Vergasung aufgrund der besonders hohen Temperaturen und der hohen Radikaldichte sehr intensiv ab.
Abgesehen von der Ausnutzung des Düseneffekts könnte dieses Umluftprinzip auch mechanisch oder mit Hilfe von Gebläse erreicht werden oder diese Maßnahmen mit dem Düseneffekt kombiniert werden. Dies wird der Fachmann in Abhängigkeit von der Geometrie der Vorrichtung, der Betriebsparameter der Plasmaquelle 5 oder anderer externer Wärmeeintragsquellen entscheiden.
Im Reaktor 4 trifft das aus dem Diffusor 52 austretende Gemisch aus Gas und Partikeln 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 das Gemisch in den seitlichen oberen Bereich der Siebtrommel 42 und vermischt sich mit dem durch die Siebtrommel permanent hochgeförderten Material. Dadurch wird nicht nur ein kontinuierlicher Vergasungsprozess aufrechterhalten. Durch dieses Umluftsystem läuft der Vergasungsprozess auch schneller ab.
Alte diese Maßnahme führen zu einer sehr stark verkürzten Verweilzeit des zu vergasenden Materials. Dadurch kann insbesondere der primäre Reaktor 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 (siehe weiter unten, 11a-c).
Die bei der Vergasung entstehende Asche 24 wird durch die Siebtrommel 42 abgesiebt und fällt in den untersten Bereich des primären Reaktors 4 (siehe u.a. 4). Dort befindet sich ein Aschenauslass 114, durch den die Asche 24 ausgetragen wird (Bezugszeichen 203 in 7). 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.
Die Filtereinheit 112 und der Reaktor 4 teilen sich im vorliegenden Beispiel eine Außenwand (siehe 4). Dies hat den besonderen Vorteil, dass einerseits der Reaktor 4 auf dieser Seite besonders gut wärmeisoliert ist und andererseits die Filtereinheit 112 durch die Reaktorabwärme auf Betriebstemperatur vorgewärmt wird. Außerdem teilen sich die Filtereinheit 112 und der Reaktor 4 den Ascheauslass 114, was die Reinigung der Filtereinheit 112 vereinfacht.
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.
In den 11a-c ist eine weitere Ausführungsform eines Gaserzeugers dargestellt. Dieser Gaserzeuger ist für eine Leistung von ca. 2-4 kW_el bzw. 8-16 kW_therm ausgelegt und eignet sich daher für den Einsatz im Wohnbereich. Da der innere Aufbau dieses Gaserzeugers sich von dem bereits erläuterten Gaserzeuger 1 nicht wesentlich unterscheidet, wird auf eine Innenansicht verzichtet und nur auf die abweichenden Komponenten eingegangen, mit denen der Gaserzeuger in diesem Beispiel verbunden ist.
Zu sehen ist in den 11a-c eine Hausanlage 10 zur Erzeugung von Wärme- und elektrischer Energie. Bei der Hausanlage 10 handelt es sich um ein Komplettmodul, das im Wesentlichen aus einem Gaserzeuger und einem damit verbundenen Motor als Generatorantrieb besteht. Die Hausanlage erzeugt wie vorbeschrieben über Mikrowellenpyrolyse mit Hilfe des Mikrowellengenerators 31 und Vergasung über anschließenden externen Wärmeeintrag, hier mittels einer Wasserdampf-Plasmaquelle CO und H₂ enthaltendes Gas aus kohlenstoffhaltigen Materialien. Dieses Gas wird zum Antrieb eines Stirlingmotors 131 genutzt, der einen Generator 132 antreibt, wodurch Strom erzeugt wird. Die Abwärme wird zur Beheizung von Wohngebäuden und zur Erzeugung von Warmwasser genutzt.
Durch den Stutzen 99 werden die kohlenstoffhaltigen Materialien mit Hilfe von zum Beispiel Gebläsen oder Schnecken zugeführt und gelangen in den hier doppelwandigen Trichter 101. Nach einer Mikrowellenpyrolyse und Wasserdampf-Plasmavergasung wie zuvor beschrieben tritt das CO und H₂ enthaltende Gas mit einer Temperatur von über 400°C aus der Filtereinheit 112 aus Keramikfilterkerzen aus und wird durch das Gasrohr 122 in den Heißgasbrenner 143, hierin Form eines Porenbrenners geführt. Dort wird es mit der Verbrennungszuluft, die zur Geräuschreduzierung über eine Einlaufdüse 140 von einem Gebläse 141 angesaugt wird, in dem Heißgasbrenner 143 verbrannt. Die Verbrennungszuluft wird zuvor durch das hier doppelwandig ausgeführte Aschefach 204 geleitet, wodurch sich die Luft erwärmt und die Asche abkühlt. Dadurch wird das Brandrisiko bei der Ascheentsorgung minimiert. Vom Aschefach 204 wird die Verbrennungszuluft über die Leitung 142 zum Heißgasbrenner 143 geführt.
Die in dem Heißgasbrenner 143 erzeugte Wärmeenergie (ca. 1050°-1100°C) wird zum Antrieb des Stirlingmotors 131 genutzt. Dieser treibt den Generator 132 an, so dass Strom erzeugt wird. Die abzuführende Energie, die sich aus dem Stirlingprozess ergibt, wird über einen Kühlwasseraustritt 135 in einen Wasser/Wasser-Wärmetauscher 134 eingeleitet. Das herabgekühlte Wasser (ΔT ca. 40-50°C) wird über den Kühlwassereintritt 136 wieder in den Stirlingmotor 131 eingeleitet. Die heißen Abgase (ca. 600-700°C) aus dem Heißgasbrenner 143 werden über eine Leitung 137 einem Gas/Wasser-Wärmetauscher 133 zugeführt. Nach Durchströmen des Gas/Wasser-Wärmetauschers 133 gelangen die Abgase übe eine Leitung 138 in den Trichter 101 und erwärmen dort die durch den Stutzen 99 eingebrachten kohlenstoffhaltigen Materialien. Über einen Rohranschluss 139 gelangen die Abgase mit einer Temperatur von um die 50°C in den Rauchabzug des Gebäudes. Die Abwärme aus dem Wärmetauschern 133, 134 wird über einen Kühlwassereingang 116 und einen Kühlwasserausgang 118 in die Gebäudeheizung und die Warmwasseraufbereitung eingespeist.
Die Vorteile der Hausanlage 10 sind darin zu sehen, dass kohlenstoffhaltige Stoffe wie zum Beispiel Pellets, Grünabfälle, Hausmüll usw. zur Energieversorgung von Wohngebäuden genutzt werden können. Neben der benötigten Raumwärme und Warmwasseraufbereitung wird elektrischer Strom erzeugt, der in den Ruhezeiten in das Stromnetz eingespeist und vergütet wird. Dies verringert die Energiekosten der Einzelhaushalte und trägt zur Dezentralisierung des Strommarktes bei. Durch die kompakte Baugröße des Gaserzeugers sind Geräte ab der Größe von Etagenheizungen bis hin zu Mehrfamilienhäusern realisierbar. Durch die Verbrennung des Gases mit Temperaturen über 500°C können keine Teere ausfallen, so dass die Gasreinigung sich auf den Staubfilter 112 mittels Keramikfilterkerzen beschränken lässt.

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: primärer Reaktor
41: primärer Umluftkanal
42: Siebtrommel
43: Siebtrommelfach
44: sekundärer Umluftkanal
5: Plasmabrenner
51: Plasmaflamme
52: Diffusor
6: sekundärer Reaktor
61: Quetschteil
62: Heizung
63: Porenbrenner
7: Schabeinheit
71: Klinge
72, 72': rotierendes Schabteil
74: radial angeordnetes Fenster
75: stirnseitig angeordnetes Fenster
81: Antriebsbuchs
82: Mitnahmestern
83: hintere Wegbegrenzung
84: Feder
85: Sensor
86: Verschraubung
87: Kettenrad
99: Stutzen
100: Trichter
101: Trichter (abgasumströmt)
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
131: Stirlingmotor
132: Generator
133: Gas/Wasser-Wärmetauscher
134: Wasser/Wasser-Wärmetauscher
135: Kühlwasseraustritt
136: Kühlwassereintritt
137: Leitung
138: Leitung
139: Rohranschluss
140: Einlaufdüse
141: Gebläse
142: Verbrennungsluftleitung
143: Heißgasbrenner
201: vorwärmen
203: Ascheaustrag
204: Aschefach

Claims

Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H₂ enthaltendem Gas, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials zumindest zum Teil mit Hilfe von Mikrowellenbestrahlung durchgeführt wird und danach die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material vergast 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 Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material und/oder Vergasungsprodukte zumindest teilweise mehr als einmal dem externen Wärmeeintrag ausgesetzt werden.
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material nach der Mikrowelleneinstrahlung zerkleinert werden.
Vorrichtung zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H₂ enthaltendem Gas, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Mikrowellenstation (3) aufweist, um die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials zumindest zum Teil durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Mikrowellenstation (3) ein erster Reaktor (4) mit mindestens einer Wärmequelle (5) anschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstation (3) in einem zweiten Reaktor (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstation (3) eine Verdichtungseinheit (61) und/oder eine Vorheizeinheit (62) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit als Porenbrenner (63) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Reaktor (4) eine Mischeinheit (42) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinheit als drehbare Siebtrommel (42) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Reaktor (4) oder am Ausgang der Mikrowellenstation (3) eine Zerkleinerungseinheit (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungseinheit als Schabeinheit (7) ausgebildet ist, die die Oberfläche der Pyrolyseprodukte (21) und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials (2), das oder die aus der Mikrowellenstation (3) austreten, abschabt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 und 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungsvorrichtung (7) an der Siebtrommel (42) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mindestens einen Wärmequelle um mindestens einen Plasmabrenner (5) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um mindestens einen Wasserdampf-Plasmabrenner (5) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Plasmabrenner (5) derart an den ersten Reaktor (4) angeschlossen ist, dass dessen Plasmaflamme (51) nicht oder nur zum Teil bis in den Reaktorinnenraum reicht, und eine zusätzliche Leitung (41) von dem ersten Reaktor (4) zur Plasmaflamme (51) führt, durch die Reaktorinhalt zur Plasmaflamme (51) angesaugt wird.
Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Pyrolyse und Vergasung kohlenstoffhaltiger Materialien zu CO und H₂ enthaltendem Gas mit einem Vergasungsreaktor, einem mit Hilfe des CO und H₂ enthaltenden Gas angetriebenen Motor und einem vom Motor angetriebenen Stromgenerator, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vergasungsreaktor (4) mindestens eine Mikrowellenstation (3) vorgeschaltet ist, in der das kohlenstoffhaltige Material mittels Mikrowellenbestrahlung zumindest teilweise pyrolysiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Motor (131) ein Heißgasbrenner (143) vorgeschaltet ist und der Motor als Stirlingmotor (131) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgasbrenner als Porenbrenner (143) ausgebildet ist.