DE102006052345B4

DE102006052345B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Feinstaubbildung bei der thermischen Vergasung von halmartiger und stückiger Biomasse in Form von Ballen

Info

Publication number: DE102006052345B4
Application number: DE200610052345
Authority: DE
Inventors: Christian Herlt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2026-11-08
Also published as: DE102006052345A1

Abstract

Verfahren zur Verminderung der Feinstaubbildung bei der thermischen Vergasung von halmartiger und stückiger Biomasse in Form von Ballen, dadurch gekennzeichnet, dass das im Vergasungsraum (2) vorhandene Gasgemisch mit Wasserdampf angereichert wird, indem dosiert Wasser oder Wasserdampf so zugeführt wird, dass die zugeführte Wasser- bzw. Dampfmenge zwischen 5 und 35% der Masse der pro Zeiteinheit abbrennenden Biomasse beträgt.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Feinstaubbildung bei der thermischen Vergasung von halmartiger und stückiger Biomasse in Form von Ballen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung der Feinstaubbildung bei der thermochemischen Vergasung von Biomassen in Form von Ballen. Damit wird auch der Staubgehalt in den Abgasen gemindert.
Stand der Technik
Die Verminderung der Emission von Feinstaub aus Biomasse-Feuerungsanlagen ist beim Umweltschutz ein dringendes Anliegen geworden. Hierfür gibt es eine Vielzahl an Vorschlägen und Lösungen für die Nutzung von Abgasfiltern der verschiedensten Bauarten, von Wascheinrichtungen, Zyklonabscheidern usw. Diese Anlagen entnehmen dem staubbeladenen Produktgas einen Anteil des Staubes, nehmen aber keinen Einfluss auf die Staubentstehung.
Insbesondere bei Biomasse-Vergasungsanlagen größerer Leistung zur Verarbeitung von stark zerkleinerter, feinkörniger Biomasse ist es üblich bei Temperaturen zu arbeiten die so hoch sind, dass die Asche als flüssige Schlacke anfällt und so ausgeschleust werden kann. Die später den Feinstaub bildenden, extrem feinen, staubnebelbildenden Aschetröpfchen gehen aber mit dem Produktgas mit.
In der DE 699 11 983 T2 wird vorgeschlagen, flüssige Asche an zugegebenes, hochschmelzendes Feingut anzulagern und so aus der Vergasung auszuschleusen. Dies kann bei Flugstrom- oder Wirbelbettvergasung realisiert werden, bei der Vergasung ganzer Strohballen und größeren Stückholzes ist die nötige Vermischung aber nicht erreichbar.
Vergasungsanlagen kleinerer Leistung werden weitgehend so gebaut, dass die in der Biomasse enthaltenen Aschen möglichst vollständig im Vergaserraum, in Ascheräumen oder Absetzkammern zurückbleiben und nicht mit dem Produktgas ausgetragen werden. Anlagen in solcher Bauart sind bekannt, z. B. für die Vergasung ganzer Strohballen gemäß WO 2005/040680 A1 oder auch für eine größere Menge von grobstückigem Scheitholz gemäß EP 0 935 731 B1 . Bei Anlagen diesen Typs verbleibt die zu vergasende Biomasse über einen langen Zeitraum bis zu viele Stunden im Vergaserraum und so erfolgt der Vergasungsprozess viel langsamer als bei Anlagen, in die die Biomasse zerkleinert und kontinuierlich zugeführt wird. Die in großen Vergasungsräumen unterhaltenen Verbrennungsvorgänge sind von der Verbrennungsluftführung abhängig und so örtlich und zeitlich verschieden intensiv. Pyrolyse und Vergasung finden nebeneinander statt. Die Aschen enthalten von Natur aus auch immer hochschmelzende Bestandteile, in deren mechanischen Verbund Feinteilchen festgehalten werden können bzw. auch die mikrofeinen Tröpfchen aus niedrigerschmelzenden Salzen und Oxiden angelagert und so adhäsiv gebunden werden.
Insbesondere bei der Ganzballenvergasung von Stroh, Heu, Hanf und anderem halmartigen Material vom Feld bilden die erst zuletzt verbrennenden Kohlenstofffaserstränge als schwarze Fasern lange Zeit ein dreidimensionales als Filter wirkendes Gebilde, in dem die meiste Asche zurückgehalten wird. Der trotzdem noch anfallende Feinstaub besteht hauptsächlich aus niedrigschmelzenden, zeitweise aufgeschmolzenen oder sogar verdampften Salzen und Oxiden aus dem viele Stoffe enthaltenen Aschegemisch, ist deshalb von extrem kleiner Korngröße und so mit bekannter Filtertechnik nur schwer abscheidbar, insbesondere bei dem für Heizanlagen normalem, periodischem Betrieb.
Die Aschen der Halme enthalten viele alkalischen Verbindungen, insbesondere Salze, von denen wieder viele sehr hygroskopisch sind, so dass diese leicht die Gewebe der Abgasfilter verstopfen können. Die Wasseranlagerung bewirkt die Bildung von Laugen und Säuren und diese sind die Ursache von Korrosionen an metallischen und auch keramischen Bauteilen der Anlagen.
Elektrofilter müssen wegen der extremen Feinheit der Staubteilchen mit sehr hohen Spannungen betrieben werden, was hohe Kosten und Gefahren nach sich zieht. Gaswäschen sind im industriellen Bereich oft anzutreffen, im Bereich der Gebäudeheizung aber nur schwer zu handhaben und es fallen problematische Abwässer an. Außerdem zeigt der Schornstein dann vermehrt eine Dampffahne, was auch unerwünscht ist.
Es ist weiterhin bekannt, zusätzlich zum ohnehin immer vorhandenen Wassergehalt der Biomasse oder von Kohle Wasser oder Wasserdampf in den Vergaserraum einzuleiten und so auch „Wassergas" mit einem größeren Anteil an Wasserstoff zu gewinnen. Auch moderne Vergasungsverfahren, für große Leistungen, wie z. B. in DE 199 25 316 A1 offenbart, bedienen sich dieser Möglichkeit zur Erzielung von mehr Brenngas. Um gleiche Gasmengen bei geringerer Vergasungstemperatur zu erzielen wird in derselben Patentschrift auch vorgeschlagen, einen Katalysator (Kalkstein) einzusetzen. Dies ist aber aufwendig und erhöht den Ascheanfall beträchtlich.
Das Verfahren der Wasserzugabe ist auch für die Holzvergasung in kleinen Einheiten anwendbar, wie beispielsweise in der Patentschrift CH 221697 A erläutert. Es wird damit bezweckt, einen höheren Wasserstoffanteil im Brenngas zu erzielen. Verfahren zur Minderung der Staubentstehung bei der Vergasung von Ganzballen bzw. Ballen aus halmartiger oder stückiger Biomasse sind nicht bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sehr einfach zu realisierendes Verfahren mit entsprechender Vorrichtung anzugeben, zur Minderung der Staubemission bei der Biomassevergasung, insbesondere der von Ganzballen aus Stroh und anderen Pflanzen vom Feld sowie aus stückiger Biomasse in Form von Ballen. Es soll also nicht staubbeladenes Gas gereinigt, sondern die Staubentstehung soll direkt am Ort der Gasentstehung unterdrückt werden. Weiterhin soll auf diese Weise auch der Aufwand für die Reinigung der Wärmetauscherflächen und Entstaubungseinrichtungen gesenkt werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1, 6 und 7 gelöst. Durch die Einbringung von Wasser oder Wasserdampf in den Vergaserraum, in den die zu vergasende Biomasse eingelegt ist, wird das in diesem Raum vorhandene Gasgemisch mit Wasserdampf angereichert. Die zugeführte Wasser- bzw. Dampfmenge beträgt erfindungsgemäß zwischen 5 und 35% der Masse der pro Zeiteinheit abbrennenden Biomasse.
Wasserdampf hat eine etwa doppelt so hohe spezifische Wärmekapazität als das dort zunächst vorhandene Gasgemisch, dass insbesondere aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und weiteren Crackprodukten besteht. Dadurch kann Wasserdampf bei gleicher Temperatur eine viel höhere Wärmemenge auf die Biomasse übertragen, als dass die anderen Gase vermögen.
In unmittelbarer Nähe von Oxidationsreaktionen wird durch die Spaltung des Wassers Wasserstoff (H₂) frei, dessen Wärmeleitfähigkeit etwa 8x so hoch ist, als die anderen genannten Gase. So ist der Wasserstoff auch in der Lage einen Beitrag dafür zu leisten, dass mehr Wärme an die Biomasse kommt und auf deren Oberfläche die Temperaturen steigen.
Der Wassereintrag in den Vergaserraum bewirkt also insgesamt, dass bei gleicher Temperatur mehr Vergasung erfolgt durch eine erhöhte Wärmeübertragung auf die Biomasse. Diesen Effekt kennt jeder, der schon einmal eine Heißluftsauna besucht hat. Wenn jemand im Schwitzraum mit nahe 100°C eine Tasse Wasser auf den Saunaofen gießt entsteht eine Dampfwolke, die nur wenige Grad wärmer ist als die Saunaluft, jedoch als viel heißer empfunden wird. Der Körper nimmt dann eine Weile viel mehr Wärmeenergie auf und ebenso ergeht es der Biomasse im Vergaserraum. Dort wird so die Vergasung intensiviert und mehr Biomasse in Gas verwandelt. Darauf reagiert die Steuerung des Vergasers mit einer Minderung der Verbrennungsluftzufuhr, die freiwerdende Verbrennungswärme wird geringer und so sinken die Temperaturen im Vergaserraum.
Der Wasserdampf nimmt dort, wo Verbrennung punktuell besonders stark erfolgt, Wärme auf und sorgt so für eine viel gleichmäßigere Temperatur- und Energie im Vergaserraum. In der Folge davon wird eine viel größere Menge der im Vergaserraum vorhandenen Biomasse an den Vergasungsprozessen beteiligt. Dadurch können Pyrolyse und Vergasung punktuell viel langsamer erfolgen. Die Vergasungsgeschwindigkeit als Gasmenge bezogen auf die insgesamt im Vergaserraum vorhandene Biomasse wird so also erheblich geringer. Damit wird im Gefüge der Biomasse beim Gasaustritt weniger geschmolzenes Mineral mitgerissen. In der Folge sinkt die Feinstaubentstehung.
Das durchschnittliche Temperaturniveau im Vergaser raum sinkt ab und so werden schon viele mineralischen Bestandteile gar nicht mehr aufgeschmolzen. Die unerwünschten örtlichen Temperaturspitzen, dort wo die Verbrennung stattfindet, werden gebrochen und so kann auch die Verdampfung niedrigschmelzender Salze weitgehend verhindert werden.
Die gewünschte Gasmenge kann somit bei Anwesenheit von Wasserdampf bei tieferer, mittlerer Temperatur erzeugt werden. Es werden weniger von den niedrigschmelzenden Salzen und Oxiden aus der Asche bzw. dem eben in Vergasung befindlichen Pflanzenteil ausgeschmolzen, in den Gasstrom gerissen bzw. in geringerem Umfang auch schon verdampft. Die Vergasung erfolgt viel gleichmäßiger über die große Biomassemenge verteilt in einer Zeit von vielen Stunden, d. h. sehr langsam und wenig eruptiv. So bleibt Schmelzgut adhäsiv an nichtschmelzenden Aschebestandteilen hängen, geht also nicht in den Gasstrom und mit diesem wird nur noch ein Bruchteil der bisherigen, zu Feinstaub werdenden Mineralmenge abtransportiert.
Der weitaus meiste, feinstaubbildende Anteil in der Asche bleibt im Vergaserraum in den Ascheräumen liegen und so sinkt der Staubgehalt im Abgas in überraschend hohen Maße auf nur noch einen Bruchteil des bisherigen Wertes.
Es sind die niedrigschmelzenden Salze und Oxide, die den mit einfachen Zyklonen oder Absetzräumen kaum zu erfassenden Feinstaub erzeugen. Die Schmelzpunkte der im vorkommenden, im folgenden aufgeführten Ascheinhaltsstoffe liegen im wesentlichen im Bereich von 160–650°C:
Aluminiumchlorid, -nitrat, sulfat,
Ammoniumnitrat, -sulfat, Eisen-sulf,
Eisen-II-chlorid
Kaliumchlorat, -sulfat, -sulfid, -nitrat, -oxid
Natriumchlorat, -metaphosphat, -nitrit, -phosphat
Calciumnitrat
Magnesiumoxid, -sulfat, -chlorid,
Kupferchlorid, -sulfat
Manganoxid, -chlorid
Phosphoroxid, -sulfid
(Kaltofen, Tabellenbuch Chemie, Verlag Harri Deutsch)
Getreidestroh ist sehr reich an Alkaliverbindungen, insbesondere solche des Kaliums und aus diesen setzt sich der weiße Feinstaub hauptsächlich zusammen. Zuerst zu nennen ist das Kaliumoxid.
Die genaue Aschezusammensetzung in der Biomasse ist in den verschiedenen Energiepflanzen unterschiedlich und auch sehr bodenbedingt.
Es wurde gefunden, dass durch den Eintrag von Wasser in den Vergaserraum eines Stroh-Ganzballenvergasers in einer Menge von etwa 20% bezogen auf das Gewicht der vergasten Biomasse pro Zeiteinheit eine Minderung der Feinstaubemission von vorher mehr als 90 mg/Normkubikmeter Abgas auf etwa 20 mg/Normkubikmeter eintritt. Damit werden die geltenden Abgasgrenzwerte eingehalten und auf die Installation eines kostenintensiven Feinstaubfilters kann verzichtet werden. Es hat sich gezeigt, dass die feinstaubmindernde Wirkung einer Wasserzugabe zur Vergasung schon bei etwa 3% bezogen auf das Gewicht der pro Zeiteinheit abbrennenden Biomasse gut messbar ist, 35% aber nicht überschritten werden sollte, weil dann kaum noch alles Wasser in der Konvertierungsreaktion (CO + H2O - -H2 + CO2) umgesetzt werden kann. Dann gelangt Wasserdampf vermehrt in das Produktgas und beeinträchtigt den Brennwert des Gases. Der optimale Wasserzusatz liegt im Bereich von 5 bis 15%.
Das Wasser kann in beliebigem Aggregatzustand und mit beliebiger Temperatur in den Vergaserraum eingebracht werden. Natürlich ist die Nutzung von normalem Leitungswasser am einfachsten.
Es ist vorteilhaft, das Wasser in einem möglichst weit vom Gasabzug entfernten Teil des Vergaserraumes zuzugeben, damit die gesamte Biomasse der Wasserdampfwirkung voll ausgesetzt ist. Wenn der Gasabzug nach unten erfolgt ist es am besten, das Wasser von oben auf die zu vergasende Biomasse zu leiten. Durch die Anwendung des Verfahrens bleiben die Wärmetauscherflächen viel länger sauber und Reinigung ist nur selten erforderlich.
Die zur Anwendung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung, speziell für stückige Biomasse in Form von Ballen, besteht aus einem Einleitröhrchen mit einer Auslaufverengung, durch die das Wasser oder der Wasserdampf aus einer Versorgungsleitung über Filter und Druckminderer druckreduziert der Einspeisevorrichtung zugeführt wird. Die gewünschte Wasserzugabe wird mit dem Austrittsquerschnitt der Einspeisevorrichtung und dem Zulaufdruck eingestellt. Gesteuert wird die Wasserzugabe in Abhängigkeit vom Brennzustand des Gasverbrauchers über ein Ventil, das mit der Regelung des Vergasers verbunden ist und nur öffnet bei höherer Abgas- oder Brennkammertemperatur der Feuerungsanlage.
Beispiele
Nachfolgend sollen das Verfahren und die Vorrichtung an einem Beispiel erläutert werden.
Die I zeigt einen Stroh-Ganzballenvergaser im Querschnitt.
Gemäß I liegt ein Strohballen 1 im Vergaserraum 2 und dieser ist mit einer keramischen Auskleidung 3 versehen. Der Strohballen 1 liegt auf einem Brennrost 4. Darunter befindet sich die Gasabzugsöffnung 5, die in die nicht näher dargestellte Brennkammer 6 einmündet. Im unteren Teil des Vergaserraumes 2 sind beidseitig Ascheräume 7 angeordnet.
Die Verbrennungsluft wird durch den Kanal für die Luftzuführung 8 angesaugt und in diesen hinein ragt die Wassereinspritzeinrichtung 9. Diese besteht aus warm – und korrosionsfestem Material und enthält eine Querschnittsverengung.
Die Rohrleitung 13 führt das Wasser zur Wassereinspritzeinrichtung 9 über einen Filter 10, einen einstellbaren Druckminderer 11 und das Magnetventil 12.
Im Betrieb wird das Wasser also von oben auf den in Vergasung befindlichen Ballen gespritzt, es verdampft, das vorhandene Gasgemisch im Vergaserraum 2 wird mit Wasserdampf angereichert, dieser wird überhitzt und überträgt dann mehr Wärmeenergie bei geringerer Temperatur auf die Biomasse.

1: Strohballen
2: Vergaserraum
3: keramische Auskleidung
4: Brennrost
5: Gasabzugsöffnung
6: Brennkammer
7: Ascheräume
8: Kanal für Luftzuführung
9: Wassereinspritzeinrichtung
10: Filter
11: Druckminderer
12: Magnetventil
13: Rohrleitung

Claims

Verfahren zur Verminderung der Feinstaubbildung bei der thermischen Vergasung von halmartiger und stückiger Biomasse in Form von Ballen, dadurch gekennzeichnet, dass das im Vergasungsraum (2) vorhandene Gasgemisch mit Wasserdampf angereichert wird, indem dosiert Wasser oder Wasserdampf so zugeführt wird, dass die zugeführte Wasser- bzw. Dampfmenge zwischen 5 und 35% der Masse der pro Zeiteinheit abbrennenden Biomasse beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser- bzw. Dampfzusatz im Vergaserraum (2) an einem Ort oder mehreren Orten erfolgt, der/die möglichst weit vom Gasabzug entfernt ist/sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser in den Kanal für die Luftzuführung (8) der Verbrennungsluft eingesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser oberhalb der im Vergaserraum (2) liegenden Biomasse eingetropft oder eingesprüht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der Wasser- oder Dampfzugabe in Abhängigkeit von der Brennkammer- oder der Abgastemperatur des Vergasers gesteuert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5, bestehend aus einem Vergaserraum (2) für die Biomasse in Form von Ballen (1), einen im oberen Bereich angeordneten Kanal für die Luftzuführung (8) der Verbrennungsluft, einem im unteren Bereich angeordneten Brennrost (4) mit Gasabzugöffnung und daran anschließender Brennkammer (6), dadurch gekennzeichnet, dass etwa mittig im Kanal für die Luftzuführung (8) eine Wassereinspritzeinrichtung (9) befestigt ist, die über eine Rohrleitung (13) mit einem Filter (10), Druckminderer (11) und Magnetventil (12) mit der Wasserleitung verbunden ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 5, bestehend aus einem Vergaserraum (2) für die Biomasse in Form von Ballen (1), einen im unteren Bereich angeordneten Brennrost (4) mit Gasabzugöffnung und daran anschließender Brennkammer (6), dadurch gekennzeichnet, dass oben am Vergaserraum (2), etwa mittig, ein Röhrchen mit Trichter und darüber eine Tropfeinrichtung angeordnet ist, die über eine Rohrleitung (13) mit einem Filter (10), Druckminderer (11) und Magnetventil (12) mit der Wasserleitung verbunden ist.