DE102006013617B4 - Biomassevergaser - Google Patents
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Abstract
Biomassevergaser
mit einem um seine Längsachse
drehbar gelagerten Drehrohrreaktor (10), wobei eine erste Stirnseite
(24) des Drehrohrreaktors (10) eine erste und eine zweite Öffnung aufweist,
während
eine zweite Stirnseite (26) des Drehrohrreaktors (10) geschlossen
ausgeführt
ist, mit einer außen
angebrachten Heizvorrichtung (12), mit einer Biomasse-Zuführleitung
(20), welche durch die erste Öffnung
in der ersten Stirnseite (24) in den Drehrohrreaktor (10) mündet, und
mit einer Reststoffaustragsleitung (30), welche durch die zweite Öffnung in der
ersten Stirnseite (24) hindurch bis in eine Reaktionszone (28) des
Drehrohrreaktors (10) reicht, wobei die Reststoffaustragsleitung
(30) derart ausgebildet ist, dass sie sowohl die Reststoffe, als
auch das Produktgas aus dem Drehrohrreaktor (10) herausfördert.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Biomassevergaser zur Pyrolyse und/oder (teilweisen) Vergasung von Biomasse, insbesondere von nachwachsenden Rohstoffen oder von biogenen Abfällen, zur Erzeugung eines brennbaren Produktgases. Dabei verkohlen die verwendeten Biomassen derart, dass die Reststoffe einen ausreichenden Heizwert aufweisen, um als Brennmaterial verwendet werden zu können.
- Aus der
EP 446 930 B1 EP 446 930 B1 - Aus der
DE 32 17 030 A1 ist ein Drehrohrofen bekannt, in dem unter Zugabe sauerstoffhaltiger Verbindungen eine Verschwelung und Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen erfolgt. Dabei werden die kohlenstoffhaltigen Feststoffe an einer ersten Stirnseite in den Drehrohrofen eingeführt, und die verbleibenden Reststoffe werden auf einer der gegenüberliegenden Stirnseite wieder ausgetragen. Das Produkt Gas wird an beiden Stirnseiten entnommen, um es in einem externen Zyklon zu reinigen und in einer weiteren externen Brennkammer weiter zu verarbeiten. Dabei ist das aus dem Drehrohrofen kommende Produktgas derart verunreinigt, dass eine direkte Nutzung des Gases, z. B. in einem Verbrennungsmotor, nicht wirtschaftlich möglich ist. - Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Biomassevergaser zu schaffen, der ein vergleichsweise sauberes Produktgas mit nur geringen Verunreinigungen erzeugt, welches beispielsweise in einem Verbrennungsmotor verwendet werden kann.
- Als technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Biomassevergaser mit den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Betriebsver fahren mit den Merkmalen des Anspruches 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Biomassevergasers sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
- Ein nach dieser technischen Lehre ausgeführter Biomassevergaser hat den Vorteil, dass das gemeinsame Austragen des Produktgases zusammen mit den verbleibenden Feststoffen in einer gemeinsamen Reststoffaustragsleitung erreicht wird, und dass in dieser Reststoffaustragsleitung die ansonsten in einer separaten Anlage durchzuführende integrierte Sekundärdegradation erfolgt, mittels der längerkettige Kohlenwasserstoffe aus dem Gas eliminiert werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Reststoffaustragsleitung bis in die Reaktionszone des Drehrohrreaktors zu leiten, da hier die höchsten Temperaturen vorherrschen. Hierdurch wird die Reststoffaustragsleitung erhitzt und unterstützt somit die integrierte Sekundärdegradation der Gase. Dabei finden in der Reststoffaustragsleitung heterogene und heterogen katalysierte Reaktionen statt, die auch andere Verunreinigungen, z. B. Teer, beseitigen. Somit fungiert die Reststoffaustragsleitung als Reaktor, so dass der erfindungsgemäße Biomassevergaser quasi einen Reaktor im Drehrohrreaktor aufweist. Dies hat den Vorteil, dass der apparative Aufwand zur Erzeugung eines wirtschaftlich nutzbaren Produktgases gering gehalten werden kann.
- Ein anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Biovergasers besteht darin, dass der Drehrohrreaktor nur eine offene Stirnseite aufweist, während die andere, im beheizten Bereich liegende Stirnseite des Drehrohrreaktors geschlossen ausgeführt ist. Folglich braucht am geschlossenen Bereich des Drehrohrreaktors, der auch in der heißen Zone liegt, keine Dichtung vorgesehen werden, so dass diese Problematik beim erfindungsgemäßen Biomassevergaser entfällt. An der offenen Stirnseite ist es nicht ganz so schwierig eine entsprechende Dichtung anzubringen, da hier vergleichsweise niedrige Temperaturen vorherrschen.
- Noch ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Biomassevergasers besteht darin, dass durch die geschlossene Ausführung des Drehrohrreaktors die Verweilzeit der Biomasse im Drehrohrreaktor individuell bestimmt werden kann. Dabei kann der Drehrohrreaktor beliebig schnell und beliebig lange um seine Längsachse rotieren und unabhängig davon, kann die Reststoffaustragsleitung aktiviert werden, um die verbleibenden Festbrennstoffe auszutragen. Durch diese Entkopplung von Drehrohrreaktor und Reststoffaustragsleitung kann der Vergasungsverlauf individuell gesteuert werden, was im Ergebnis zu einer Optimierung des Prozesses beiträgt.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drehrohrreaktor derart geneigt angeordnet, dass das offene Ende höher als das geschlossene Ende liegt. Hierdurch wird ein höherer Füllgrad des Drehrohrreaktors erreicht, was wiederum die Wirtschaftlichkeit des Biomassevergasers erhöht.
- In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform ist in der Reststoffaustragsleitung eine Zugschnecke vorgesehen. Hierdurch kann der auszutragende Festbrennstoff auch nach oben gefördert werden, so dass eine stärkere Neigung des Drehrohrreaktors möglich wird.
- Die gasdichte Ausbildung der Reststoffaustragsleitung im Bereich des Drehrohrreaktors hat den Vorteil, dass nicht versehentlich noch verschmutztes Produktgas ausgetragen wird.
- In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform mündet in die Reaktionszone eine Vergasungsmittelleitung, mit der zusätzliches Vergasungsmittel wie beispielsweise Luft, Wasserdampf, Kohlendioxid oder eine Kombination davon in die Reaktionszone geleitet werden kann. Hierdurch kann der Vergasungsprozess weiter optimiert werden.
- In noch einer bevorzugten Ausführungsform mündet in den Drehrohrreaktor eine Feststoffleitung, über die weitere Feststoffe, insbeondere Katalysatoren und/oder Promotoren eingebracht werden können. Hierdurch kann der Vergasungsprozess noch weiter optimiert werden.
- In noch einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist die Reststoffaustragsleitung konzentrisch im Drehrohrreaktor angeordnet und rotiert mit diesem um. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Reststoffaustragsleitung am zweiten Stirnende des Drehrohrreaktors zu fixieren, insbesondere anzuschweißen. Dies hat den Vorteil, dass sich die Reststoffaustragsleitung nicht verbiegen kann, was aufgrund der hohen Temperaturen im Drehrohrreaktor sonst durchaus möglich wäre.
- Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Biomassevergasers ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung und den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter. Dabei zeigt
-
1 eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Biomassevergasers; -
2 eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Biomassevergasers; -
3 eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Biomassevergasers; -
4 eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Biomassevergasers; - In
1 ist in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Biomassevergasers abgebildet, der einen im Wesentlichen zylindrischen, einseitig geschlossenen Drehrohrreaktor10 umfasst. Am geschlossenen Ende des Drehrohrreaktors10 ist außenseitig eine Heizvorrichtung12 vorgesehen, die sich bis etwa zur Mitte des Drehrohrreaktors10 hin erstreckt. Über entsprechende Lager14 ,16 wird der Drehrohrreaktor10 um seine Längsachse drehbar gehalten. Bei der hier dargestellten relativ großen, ersten Ausführungsform ist am geschlossenen Ende des Drehrohrreaktors10 ein weiteres Auflager18 vorgesehen. Bei kleineren Anlagen kann auf dieses Auflager verzichtet werden. - Über einen Motor M1 wird der Drehrohrreaktor angetrieben und rotiert um seine Längsachse. Eine Biomasse-Zuführleitung
20 führt die in einem hier nicht dargestellten Vorratsbehälter aufbewahrten, schüttfähigen und brennbaren Biomassen (Brennstoff) mittels einer von einem Motor M2 angetrie benen Schnecke22 in den Drehrohrreaktor10 . Dabei reicht die Biomasse-Zuführleitung20 durch eine erste Stirnseite24 des Drehrohreaktors10 in den Innenraum des Drehrohrreaktors10 . Die Stirnseite24 ist ansonsten mit einer thermischen Isolierung25 versehen, so dass im Drehrohrreaktor10 keine großen Wärmeverluste auftreten. Zwischen der Isolierung25 und dem Drehrohrreaktor10 ist eine Dichtung27 angebracht, um die nicht rotierende Isolierung25 abzudichten. - Weil die zweite Stirnseite
26 des Drehrohrreaktors10 vollständig verschlossen ist, kann die Biomasse hier nicht entweichen und sammelt sich somit im unteren Teil des Drehrohrreaktors10 . Dabei bildet sich im Bereich der Heizvorrichtung12 eine Reaktionszone28 aus, in der die eigentliche Pyrolyse und/oder teilweise Vergasung der Biomasse stattfindet. - Mittels einer eine Zugschnecke
32 aufweisenden Reststoffaustragsleitung30 werden die verbleibenden Festbrennstoffe aus der Reaktionszone28 herausgeführt. Dabei nimmt die Reststoffaustragsleitung30 auch das Produktgas auf und leitet beides aus dem Drehrohrreaktor10 heraus. Die Reststoffaustragsleitung30 ist in einer zweiten Öffnung der ersten Stirnseite24 angeordnet. Die Zugschnecke32 wird durch einen Motor M3 angetrieben und kann somit die Festbrennstoffe und das Produktgas unabhängig von der Drehzahl des Drehrohrreaktors10 austragen. Am Ende der Zugschnecke32 fallen die Festbrennstoffe aufgrund der Schwerkraft nach unten, während das Produktgas nach oben geleitet wird. Das Produktgas und die Festbrennstoffe werden in entsprechenden Sammelbehältern aufbewahrt und einer weiteren Nutzung zugeführt. - Die Vergasung der Biomasse im erfindungsgemäßen Biomassevergaser läuft wie folgt ab:
- Im erfindungsgemäßen Biomassevergaser können sämtliche nachwachsenden Rohstoffe vergast werden, solange diese in einer schüttfähigen Form vorliegen, wie zum Beispiel Mais, Kirschkerne, Spelzen oder Stroh. Darüber hinaus können auch Brennstoffe wie Torf, Holzkohle, Klär- und Faulschlamm, genauso wie tierische Abfälle wie zum Beispiel Tiermehl eingesetzt werden. Als Beimengung können in gewissen Mengen auch pflanzliche die, tierische Fette oder Industrieöle und -fette verwendet werden. Dabei spielt der Zustand, d. h. die Feuchte der Biomasse keine große Rolle, da der erfindungsgemäße Biomassevergaser auch feuchte Biomassen bis zu einem Wassergehalt von ca. 50% sehr gut und wirtschaftlich vergasen kann. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass eine Beimengung von 5% bis 50%, vorzugsweise 25% von Brennstoffen möglich ist, und dass der Biomassevergaser dennoch wirtschaftlich betrieben werden kann. Außerdem ist es möglich, der Biomasse andere, nicht brennbare Stoffe beizumischen. Eine Verunreinigung der Biomasse mit nichtreaktionsfähigem Material, wie beispielsweise Metallen, ist bis zu einem gewissen Grad von 10% unschädlich für die Vergasung, da diese Materialien nach der Vergasung der eigentlichen Biomasse wieder ausgetragen werden.
- Die schüttfähige Biomasse wird in einem Vorratsbehälter gelagert und über die Biomasse-Zuführleitung
20 in den Drehrohrreaktor10 geführt. Das geschlossene Ende des Drehrohrreaktors10 wird über eine Heizvorrichtung12 beheizt, so dass sich im Drehrohrreaktor eine heiße Reaktionszone28 ausbildet, in der Temperaturen von 700°C bis 950°C, vorzugsweise 800°C vorherrschen. Der Drehrohrreaktor10 wird durch den Motor M1 um seine Längsachse rotiert, wobei die Rotationsgeschwindigkeit je nach Füllstand und zu vergasenden Materialien variiert werden kann. - Im Drehrohrreaktor
10 findet eine Pyrolyse der Biomasse statt, bei der sich verschiedene gasförmige und kondensierbare Stoffe und ein festes im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehendes Pyrolysat bilden. Es versteht sich, dass die Vergasung unterstöchiometrisch erfolgt. Durch die Pyrolyse wird die Biomasse in Festbrennstoffe umgewandelt, die einen so großen Heizwert besitzen, dass sie wirtschaftlich verwertet werden können. - Die Reststoffaustragleitung
30 reicht bis tief in die heiße Reaktionszone28 hinein und fördert mittels ihrer durch den Motor M3 angetriebenen Zugschnecke32 die Festbrennstoffe aus der Reaktionszone28 heraus. Dabei weist die Zugschnecke32 an ihrem freien ende eine Öffnung auf, um die Feststoffe besser aufnehmen zu können. Mit den Festbrennstoffen wird auch das Produktgas über die Reststoffaustragsleitung30 durch die erste Stirnseite des Drehrohrreaktors10 heraustransportiert. Dort angekommen, fallen die Festbrennstoffe aufgrund der Schwerkraft in einen unten liegenden Sammelbehälter, während das Produktgas nach oben steigt und dort in einem Gassammelbehälter aufgefangen wird - Aufgrund der Tatsache, dass die Reststoffaustragsleitung
30 in der heißen Reaktionszone28 angeordnet ist, wird die Reststoffaustragsleitung30 entsprechend aufgeheizt. Dies wiederum führt zu einer integrierten Sekundärdegradation des Produktgases innerhalb der Reststoffaustragsleitung30 , so dass das Produktgas in dieser Reststoffaustragsleitung30 von längerkettigen Kohlenwasserstoffen befreit wird und das fertige Produktgas fast keine Verunreinigung und nur sehr wenig Teer aufweist. Dieses Produktgas kann zum Beispiel in einem Verbrennungsmotor genutzt werden, um Strom zu erzeugen. Die ausgetragenen Festbrennstoffe können beispielsweise verwendet werden, um die Heizvorrichtung12 zu betreiben. Überschüssige Festbrennstoffe können anderweitig wirtschaftlich genutzt werden. - Durch die Entkoppelung von Drehrohrreaktor
10 und Reststoffaustragsleitung30 und vor allem dadurch, dass beide einen separaten Antrieb aufweisen, ist es möglich, die Verweilzeit der Biomasse im Drehrohrreaktor10 individuell zu gestalten. Hierdurch kann ein höherer Füllgrad erreicht und eine optimale Vergasung verwirklicht werden, was zu einer höheren Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Biomassevergasers führt. - In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform ist die Zugschnecke mehrwellig ausgeführt. Hierdurch können die Festbrennstoffe sehr viel präziser und effektiver ausgetragen werden.
- Die in
2 dargestellte, zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch, dass in der zweiten Stirnseite26 im Bereich des Auflagers18 eine Vergasungsmittelleitung34 vorgesehen ist, mit der je nach Bedarf zusätzliches Vergasungsmedium in Gasform, beispielsweise Luft, Wasserdampf oder Kohlendioxid oder Mischungen hiervon zugeführt werden kann, um den Vergasungsprozess im Drehrohrreaktor10 zu optimieren. - Die in
3 dargestellte, dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch, dass im Bereich der ersten Stirnseite26 eine Feststoffleitung36 vorgesehen ist, über die weitere Feststoffe, insbesondere ein Katalysator oder ein Promotor in den Drehrohrreaktor10 gegeben werden kann, um den Vergasungsprozess zu optimieren. Hierbei erfolgt die Dosierung mittels einer in der Feststoffleitung angeordneten Schnecke38 , welche über einen Motor M4 angetrieben wird. - Die in
4 dargestellte, vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch, dass die Reststoffaustragsleitung30 hier konzentrisch im Drehrohrreaktor10 angeordnet ist und an der zweiten Stirnseite26 des Drehrohrreaktors10 fixiert, insbesondere angeschweißt, ist. Hierdurch wird ein Verbiegen der Reststoffaustragsleitung bei großer Hitze vermieden. Dabei ist die Reststoffaustragsleitung30 im Lager40 drehbar gelagert, so dass die Reststoffaustragsleitung30 mit dem Drehrohrreaktor10 mitrotieren kann. Hierbei wird die Reststoffaustragsleitung30 durch die Dichtungen42 und44 gegenüber der Isolierung25 , bzw. dem Austrag abgedichtet. -
- 10
- Drehrohrreaktor
- 12
- Heizvorrichtung
- 14
- Lager
- 16
- Lager
- 18
- Auflager
- 20
- Biomasse-Zuführleitung
- 22
- Schnecke
- 24
- erste Stirnseite
- 25
- Isolierung
- 26
- zweite Stirnseite
- 27
- Dichtung
- 28
- Reaktionszone
- 30
- Reststoffaustragsleitung
- 32
- Zugschnecke
- 34
- Vergasungsmittelleitung
- 36
- Feststoffleitung
- 38
- Schnecke
- 40
- Lager
- 42
- Dichtung
- 44
- Dichtung
- M1
- Motor
- M2
- Motor
- M3
- Motor
- M4
- Motor
Claims (14)
- Biomassevergaser mit einem um seine Längsachse drehbar gelagerten Drehrohrreaktor (
10 ), wobei eine erste Stirnseite (24 ) des Drehrohrreaktors (10 ) eine erste und eine zweite Öffnung aufweist, während eine zweite Stirnseite (26 ) des Drehrohrreaktors (10 ) geschlossen ausgeführt ist, mit einer außen angebrachten Heizvorrichtung (12 ), mit einer Biomasse-Zuführleitung (20 ), welche durch die erste Öffnung in der ersten Stirnseite (24 ) in den Drehrohrreaktor (10 ) mündet, und mit einer Reststoffaustragsleitung (30 ), welche durch die zweite Öffnung in der ersten Stirnseite (24 ) hindurch bis in eine Reaktionszone (28 ) des Drehrohrreaktors (10 ) reicht, wobei die Reststoffaustragsleitung (30 ) derart ausgebildet ist, dass sie sowohl die Reststoffe, als auch das Produktgas aus dem Drehrohrreaktor (10 ) herausfördert. - Biomassevergaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrohrreaktor (
10 ) derart geneigt angeordnet ist, dass das geschlossene Ende des Drehrohrreaktors (10 ) tiefer als das offene Ende des Drehrohrreaktors (10 ) liegt. - Biomassevergaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reststoffaustragsleitung (
30 ) eine Zugschnecke angeordnet ist. - Biomassevergaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reststoffaustragsleitung (
30 ) im Bereich des Drehrohrreaktors (10 ) gasdicht ausgebildet ist. - Biomassevergaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in die Reaktionszone (
28 ) mündende Vergasungsmittelleitung (34 ). - Biomassevergaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Feststoffleitung (
36 ), über die weitere Feststoffe, insbesondere Katalysatoren und/oder Promotoren, in den Drehrohrreaktor (10 ) eingebracht werden können. - Biomassevergaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Reststoffaustragsleitung (
30 ) konzentrisch im Drehrohrreaktor (10 ) angeordnet ist. - Biomassevergaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Reststoffaustragsleitung (
30 ) mit dem Drehrohrreaktor (10 ) mitrotierend gelagert ist. - Biomassevergaser nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Reststoffaustragsleitung (
30 ) an der zweiten Stirnseite (26 ) des Drehrohrreaktors (10 ) fixiert, insbesondere angeschweißt ist. - Verfahren zum Betrieb eines Biomassevergaser, bei dem Biomasse in einen Drehrohrvergaser (
10 ) gebracht und dort erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die noch heiße und teilweise bereits reagierte Biomasse zusammen mit dem Produktgas in einer gemeinsamen Reststoffaustragsleitung (30 ) durch eine Stirnseite des Drehrohrvergasers hindurch aus dem Drehrohrreaktor (10 ) herausgeführt wird. - Verfahren zum Betrieb eines Biomassevergaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reststoffaustragsleitung (
30 ) weitere Reaktionen stattfinden. - Verfahren zum Betrieb eines Biomassevergaser nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die auszutragende Biomasse der Reaktionszone (
28 ) entnommen wird. - Verfahren zum Betrieb eines Biomassevergaser nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Reststoffaustragsleitung (
30 ) durch Rauchgase temperiert wird. - Verfahren zum Betrieb eines Biomassevergaser nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionszone (
28 ) ein Vergasungsmedium, insbesondere Luft, Wasserdampf, Kohlendioxid oder eine Mischung davon zugeführt wird.
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