DE102006058673A1 - Weak gas producing device for energy production, has helical conveyor i.e. agitation device, and inner wall of reactors arranged for maximum temperature adapted materials obtained in thermal processes - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches UmfeldTechnical environment
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energiegewinnung und des Apparatebaus und betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Schwachgaserzeugung aus Energieträgern insbesondere biogenen Materialien, welches zur Gewinnung von Elektroenergie und Wärme verwendet werden kann. Mit Hilfe dieser Vorrichtung bzw. des Verfahrens wird durch unterstöchiometrische Zugabe eines Oxidationsmittels, wie Luft, Wasserdampf oder reiner Sauerstoff, ein Schwachgas erzeugt, welches motorisch zur kombinierten Breitstellung von Strom und Wärme eingesetzt werden kann.The The invention relates to the field of energy production and of Apparatus construction and relates to an apparatus and method for low-gas production from energy carriers in particular biogenic materials, which used for the production of electric energy and heat can. By means of this device or the method is through Substoichiometric addition of an oxidizing agent, such as Air, water vapor or pure oxygen, produces a lean gas, which motor used for the combined expansion of electricity and heat can be.
In
Im Festbettvergaser wird der zu vergasende Brennstoff in einer Schüttschicht, die sich vom Eintragsort bis zum Ascheaustrag hin bewegt, dem Vergasungsmittel ausgesetzt. Das Brennstoffbett sinkt auf Grund der Schwerkraft und der kontinuierlichen Zersetzung in den einzelnen Zonen langsam nach unten ab. In Relation zu der sich nach unten bewegenden Schüttung wird das Oxidationsmittel im Gleich-, Gegen-, oder Querstrom zugegeben. Problematisch bei diesen Ausführungen ist vor allem die gleichmäßige Verteilung des Vergasungsmittels über den Reaktor und die Empfindlichkeiten hinsichtlich der Brennstoffstückigkeit. Zu dem werden hierbei nur geringe energetische Wirkungsgrade erzielt.in the Fixed bed gasifier is the fuel to be gasified in a packed bed, which moves from the point of entry to the ash discharge, the gasification agent exposed. The fuel bed sinks due to gravity and the continuous decomposition in the individual zones slowly downwards from. In relation to the down moving bed the oxidant is added in cocurrent, countercurrent or crossflow. The problem with these designs is especially the uniform Distribution of the gasifying agent over the reactor and the Sensitivity to fuel streakiness. For this, only low energy efficiencies are achieved here.
Bei den Wirbelschichtverfahren unterscheidet man in stationäre und zirkulierende Wirbelschichten. Die Wirbelschicht entsteht, wenn das Vergasungsmittel mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit durch den Reaktor strömt und das Bettmaterial und den Brennstoff aufwirbelt. Die Brennstoffteilchen sind typischer Weise deutlich kleiner als in Festbettreaktoren. Im Vergleich zu Festbettvergasern werden in solchen Reaktoren auch keine Temperatur- und Reaktionszonen ausgebildet, so dass die einzelnen Reaktionen parallel ablaufen. Vorteilhaft ist hier der intensive Wärmeaustausch zwischen Bettmaterial, in der Regel Quarzsand, und dem Energieträger. Nachteilig sind die hohe Partikelbeladung des Gases und die erzeugte Gasqualität hinsichtlich höherer Kohlenwasserstoffe. Weitere Nachteile der Wirbelschichtvergasung liegen bei den hohen technischen Aufwendungen und den geringen Kaltgaswirkungsgraden.at The fluidized bed process is differentiated into stationary and circulating fluidized beds. The fluidized bed arises when the gasification agent at a sufficiently high speed flows through the reactor and the bed material and the fuel whirls. The fuel particles are typically clear smaller than in fixed bed reactors. Compared to fixed bed gasifiers in such reactors also no temperature and reaction zones are formed, so that the individual reactions take place in parallel. Advantageous here is the intense heat exchange between bedding material, usually quartz sand, and the energy source. adversely are the high particle load of the gas and the gas quality generated for higher hydrocarbons. Other disadvantages The fluidized bed gasification lie in the high technical expenses and the low cold gas efficiencies.
Zudem weisen die bekannten Technologien der Vergasung hohe Empfindlichkeiten bezüglich der Brennstoffart auf. Dabei unterscheiden sich die Heizwerte biogenen Brennstoffe im wesentlichem nur durch den Wassergehalt und sind weniger durch die Art der Biomasse beeinflusst und liegen in einem engen Bereich von 16,4 bis 19,2 MJ/kgTS. Andere Stoffeigenschaften weisen dagegen erhebliche Unterschiede auf. Aus Sicht der thermochemischen Prozesse ist dabei besonders auf den Aschegehalt, Chlor- und Schwefelgehalt und das Ascheschmelzverhalten zu achten.moreover The known technologies of gasification have high sensitivities regarding the type of fuel. There are differences the calorific values biogenic fuels essentially only by the Water content and are less influenced by the type of biomass and are within a narrow range of 16.4 to 19.2 MJ / kg TS. Other Substance properties, on the other hand, show considerable differences. Out View of the thermochemical processes is particularly on the Ash content, chlorine and sulfur content and the ash melting behavior to pay attention.
Auf Grund der hohen Prozesstemperaturen kommt es zu physikalischen Veränderungen der Asche, so kann es zum Versintern bis hin zum völligen Schmelzen kommen. Liegt ein niedriger Sinterbeginn vor, kann es schnell zu Anbackungen im Feuerungsraum kommen, was zu veränderten Strömungs- und Reaktionsbedingungen und letztlich zur Störungen des stationären Anla genbetriebes führen kann. Das Risiko solcher Versinterungen ist vor allem an Stellen hoher Temperaturen also im Bereich der Sauerstoffzuführung hoch.On Due to the high process temperatures, physical changes occur of ashes, it can be soaking up to the uttermost Melting come. If there is a low sintering beginning, it can quickly come to caking in the firebox, causing changes Flow and reaction conditions and ultimately to interference can lead the stationary Anla genbetriebes. The risk of such sintering is higher, especially in places So high temperatures in the oxygen supply.
Die Bestandteile Kalium, Calcium und Magnesium charakterisieren im wesentlichem dieses Verhalten. So führen hohe Kalium- und Magnesiumgehalte zu einer Absenkung des Sinterbeginns, während durch die Zugabe von calciumhaltigen Materialien der Gefahr der Verschlackung durch Anhebung der kritischen Temperaturen reduziert werden kann. Beim Einsatz von holzartiger Biomasse ist die Versinterungsgefahr auf Grund des niedrigen Aschegehaltes und des relativ hohen Sinterbeginn bei ca. 1200°C gering. Stroh als Reststoff aus der Landwirtschaft weist dagegen höhere Aschegehalte und einen niedrigeren Sinterbeginn auf. Problematisch stellen sich vor allem Getreidekörner als Brennstoff dar, hier können bereits ab 650°C Versinterungen auftreten.The Ingredients Potassium, calcium and magnesium essentially characterize this behavior. This leads to high potassium and magnesium contents to a lowering of sintering beginning, while through the Addition of calcium-containing materials to the risk of slagging can be reduced by raising the critical temperatures. At the Use of woody biomass is the danger of sintering Reason for the low ash content and the relatively high start of sintering low at about 1200 ° C. Straw as a residue from agriculture has higher ash contents and a lower one Sinter beginning on. Especially grain kernels are problematic as fuel, here can already from 650 ° C Sintering occur.
Aus diesem Grund bevorzugen alle bekannten Technologien überwiegend Holz mit einem Wassergehalt um 20% als Energieträger.Out For this reason, all known technologies prefer predominantly Wood with a water content of 20% as an energy source.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Technisches ProblemTechnical problem
Die bekannten Techniken zur Schwachgaserzeugung weisen eine hohe Empfindlichkeit bezüglich der Brennstoffeigenschaften, insbesondere dem Wassergehalt, Stückigkeit und Sinterverhalten, auf. Zu dem treten Probleme bei der Gasqualität in Bezug auf Teer- und Staubgehalt auf. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Darstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Schwachgaserzeugung aus verschiedensten Energieträgern, welches einen stabilen Betrieb und eine hohe energetische Effizienz sowie eine gute Gasqualität beim Einsatz verschiedenster Energieträger ermöglicht.The known techniques for low-gas production have a high sensitivity with regard to the fuel properties, in particular the water content, particulate matter and sintering behavior. To enter the problems in gas quality Relating to tar and dust content. The object of the invention is to provide a device and a method for low-gas production from a variety of energy sources, which allows stable operation and high energy efficiency and good gas quality when using a variety of energy sources.
Technische LösungTechnical solution
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet die Nutzung des bei der partiellen Oxidation von Energieträgern anfallenden Koks intern als Wärmeträger zur Wärmerückgewinnung. Durch diese interne Wärmenutzung kann eine Steigerung des energetischen Wirkungsgrades und damit eine effektivere Nutzung von vorhandenen Energieressourcen ermöglicht werden. Die Erfindung beinhaltet dazu apparative Gestaltungen, um dieses im Reaktor, in dem der thermochemische Prozess abläuft, zu realisieren. Des Weiteren beinhaltet die Erfindung eine spezielle apparative Gestaltung am Gasaustritt des Reaktors zur Verbesserung der erzeugten Schwachgasqualität. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht damit bei der Schwachgaserzeugung eine bessere Gasqualität.The Device according to the invention includes the use of the resulting in the partial oxidation of fuels Coke internally as heat carrier for heat recovery. This internal heat utilization can increase the energy efficiency and thus a more effective use of existing energy resources. The For this purpose, the invention includes apparatuses designed for this purpose Reactor in which the thermochemical process takes place, too realize. Furthermore, the invention includes a special apparatus Design at the gas outlet of the reactor to improve the generated Lean gas quality. The inventive Device thus allows for low-gas production a better gas quality.
Die Erfindung besteht aus einem Reaktor mit einem Transportsystem und einem am oberen Ende speziell angeordneten Gasaustritt. In dem Reaktor wird mit Hilfe einer Transporteinrichtung der Energieträger in den unteren Bereich hinein transportiert. Über einen Fallschacht gelangt zusätzlich heißer Koks aus der Oxidationszone zu dem frischen Material. Bei dem weiteren Transport erfolgt auf Grund der Durchmischung beider Materialien die Abkühlung des Koks durch Wärmeabgabe an den neuen Energieträger. Dieser wird erwärmt, getrocknet und teilweise oder auch vollständig pyrolysiert. Der Transport des Materials erfolgt bis zur Mitte des Reaktors. Die Transportvorrichtung reicht über den gesamten Querschnitt des Reaktors und transportiert von beiden Reaktorrändern Material zur Mitte hin. Hier ist eine zweite Transportvorrichtung oder ein Rührelement in einem abgegrenzten Raum angeordnet. Das Materialgemisch wird in diesem hoch transportiert. Am oberen Ende erfolgt die Zugabe des Oxidationsmittels und das Material wird bei hohen Temperaturen thermochemisch umgesetzt und ein Schwachgas wird erzeugt. Die Transport- oder Rühreinrichtung ermöglicht in diesem Bereich die ständige mechanische Beräumung der Zuführungsstellen des Oxidationsmittels, um so Verschlackungen und Ablagerungen entgegen zu wirken. Das Gas durchströmt einen darüber befindlichen großen Gasraum. Der unvollständig umgesetzte Koks gelangt in den trogförmig ausgebildeten unteren Bereich des Reaktors hin zu den Fallschächten am Rand des Reaktors. Hier erfolgt auf der einen Seite die Zumischung zu dem neuen Energieträger und auf der anderen Seite der partielle Rücktransport wieder hin zur Mitte des Reaktors, wo er sich mit dem anderen Koks und dem bereits pyrolysierten neuen Material mischt und ermöglicht damit eine weitere Aufheizung des neuen Materials. Das gesamte Gemisch wird anschließend wieder zur Oxidationszone befördert.The Invention consists of a reactor with a transport system and a gas outlet specially arranged at the upper end. In the reactor with the help of a transport device of energy sources transported into the lower area. About one Chute additionally receives hot coke the oxidation zone to the fresh material. In the further transport Due to the mixing of both materials, the cooling of the Coke by heat transfer to the new energy source. This is heated, dried and partly or also completely pyrolyzed. The transport of the material takes place to the middle of the reactor. The transport device is enough the entire cross section of the reactor and transported by both Reactor changing material towards the middle. Here is a second one Transport device or a stirring element in a delimited Room arranged. The material mixture is transported in this high. At the upper end is the addition of the oxidizing agent and the material is thermochemically reacted at high temperatures and becomes a lean gas generated. The transport or stirring device allows in this area the permanent mechanical clearance the supply sites of the oxidizing agent, so slagging and counteract deposits. The gas flows through a large gas space above it. Of the incompletely reacted coke enters the trough-shaped bottom of the reactor towards the manholes at Edge of the reactor. Here on the one hand, the admixture to the new energy source and on the other side of the partial return transport back to the middle of the reactor, where he deals with the other coke and the already pyrolyzed new one Material mixes and thus allows further heating of the new material. The entire mixture is then added transported back to the oxidation zone.
Des Weiteren beinhaltet die Erfindung eine weitere Transportvorrichtung, welche den Abtransport von eventuell kokshaltiger Asche aus dem Reaktor und deren vollständigen Umsatz ermöglicht. Diese Transportvorrichtung ist in einer höheren Ebene als die erste Transportvorrichtung angeordnet und ermöglicht damit eine Regulierung des Füllstandes der Koksschüttung im Reaktor. Gleichzeitig wird in dieser unter Zugabe von Oxidationsmittel das Material vollständig thermisch umgesetzt, wobei auch hier die Transportvorrichtung oder Rührelemente eine ständige mechanische Beräumung der Austrittsöffnungen des Oxidationsmittels gewährleisten. Die entstandene Asche wird im Weitern in einen Behälter abtransportiert und das entstandene Abgas gelangt über die Transportvorrichtung in den Reaktor. Die Anordnung der Transportvorrichtung kann waagerecht oder in einem Winkel von bis zu 45° zur Matellinie des Reaktors erfolgen.Of Furthermore, the invention includes a further transport device, which the removal of possibly coke-containing ash from the Reactor and its complete conversion allows. This transport device is in a higher level than arranged and enabled the first transport device thus a regulation of the fill level of the coke bed in the reactor. At the same time in this with the addition of oxidizing agent the material is completely thermally converted, as well here the transport device or stirring a constant mechanical clearing of the outlet openings of the Ensure oxidant. The resulting ash is further transported away in a container and the resulting exhaust gas passes through the transport device in the reactor. The arrangement of the transport device can be horizontal or at an angle of up to 45 ° to the Matellinie of the Reactor take place.
Das bei der partiellen Oxidation der Energieträger erzeugte Gas durchströmt einen großen heißen Gasraum und tritt am oberen Ende aus. Um die motorische Nutzbarkeit zu gewährleisten, ist der Gasaustritt am Reaktor so angeordnet, dass das Gas in einem Gaswirbel nach oben steigt und durch die zentrifugalen Kräfte bereits im Reaktor Schmutzpartikel abgetrennt werden.The generated in the partial oxidation of the energy sources Gas flows through a large hot gas space and exits at the top. To ensure motor usability, the gas outlet on the reactor is arranged so that the gas in a Gas vortex rises upwards and through the centrifugal forces already in the reactor dirt particles are separated.
Der Gasaustritt ist dabei tangential, aber nach Innen in den Reaktor hinein versetzt angeordnet, so dass die Innenkante des Gasaustrittes sich allseitig von der Reaktorinnenwand abhebt. Das Gas wird dadurch zu einer Wirbelströmung gezwungen, in der auf Grund der wirkenden zentrifugalen Kräfte die Partikel zur Reaktorwand hin befördert werden. Durch den in das Reaktorinnere hineinragenden Gasaustritt, tritt nicht der mit Partikeln beladene Gasstrom der wandnahen Strömung sondern ein Gasstrom mit geringerer Partikelbeladung aus dem Reaktor aus.Of the Gas outlet is tangential, but inward into the reactor arranged offset in it, so that the inner edge of the gas outlet stands out on all sides from the reactor inner wall. The gas is thereby forced to a vortex flow, in due to the acting centrifugal forces the particles to the reactor wall be transported. By the projecting into the reactor interior gas outlet, does not occur with the particle-laden gas flow of the near-wall flow but a gas stream with less particle loading from the reactor out.
Vorteilhafterweise ist der Reaktor stehend rohrförmig, mit rundem, ovalem, quadratischem oder rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Im unteren Bereich erfolgt eine Querschnittsverkleinerung, vorzugsweise kanal-, halbrohr- oder trogförmig. Hier ist die erste Transportvorrichtung angeordnet, welche über den gesamten Querschnitt des Reaktors Material hin zur Mitte befördert. Diese Vorrichtung ist vorteilhafter Weise ein Schneckenförderer mit einer Neigung zwischen 0 und 45°.advantageously, the reactor is tubular standing, with round, oval, formed square or rectangular cross-section. In the area below a cross-sectional reduction, preferably channel, semi-tubular or trough-shaped. Here is the first transport device arranged, which over the entire cross section of the reactor Material transported to the center. This device is advantageously a screw conveyor with a slope between 0 and 45 °.
Die Zumischung des frischen Materials zu dem heißen Koks kann auch über einen Fallschacht von oben in den Reaktor hinein erfolgen.The Adding the fresh material to the hot coke can also via a chute from above into the reactor respectively.
Die interne Rückführung des Kokses als Wärmeträger erfolgt aus dem Reaktorraum in die erste Transportschnecke über eine schachtartige Zuführung, welche mit rundem, ovalem, quadratischem oder rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein kann. Die erste Transporteinrichtung muss so aufgebaut sein, dass sie nach der Zumischung des Kokses den Abtransport dieses größeren Massenstromes im Vergleich zum Brennstoffmassenstrom ermöglicht. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, diese als Schneckenförderer auszuführen und am Reaktoreintritt im Querschnitt zu vergrößern.The Internal recycling of the coke as heat carrier takes place from the reactor space in the first screw conveyor over a shaft-like feeder, which with round, oval, square or rectangular cross-section can be formed. The first transport device must be designed so that it after mixing the coke with the removal of this larger Mass flow compared to the fuel mass flow allows. Out For this reason, it is advantageous to use this as a screw conveyor run and increase at the reactor inlet in cross-section.
Die erste Transportvorrichtung fördert vorteilhafter Weise von beiden Seiten hin zur Reaktormitte. Hier ist ein rohrförmiger Schacht mit der zweiten Transportvorrichtung angeordnet. In diesem Segment wird das Materialgemisch nach oben befördert. Am oberen Ende des Schachtes befinden sich die Zuführung des Oxidationsmittels, wie Luft, Sauerstoff, Wasserdampf oder Gemische dieser. Die zweite Transportvorrichtung ermöglicht weiterhin die ständige mechanische Beräumung dieser Öffnungen. Aus diesem Grund kann die Transportvorrichtung als Schneckenförderer, aber auch als einfaches Rührelement ausgeführt werden.The first transport device promotes advantageous manner from both sides to the reactor center. Here is a tubular one Shaft with the second transport device arranged. In this Segment the material mixture is transported upwards. At the the upper end of the shaft are the feeder of the Oxidizing agent, such as air, oxygen, water vapor or mixtures this. The second transport device continues to allow the constant mechanical clearance of these openings. Out For this reason, the transport device can be used as a screw conveyor, but also designed as a simple stirring element become.
Weiterhin ist es von Vorteil die erste Transportvorrichtung als peforierten Kanal oder Rohr auszuführen. Hiermit wird ermöglicht, dass Pyrolysegase durch die Koksschüttung in den Gasraum des Reaktors gelangen und nur der gebundene feste Kohlenstoff in direkten Kontakt mit dem Oxidationsmittel kommt.Farther it is advantageous the first transport device as a perforated Channel or pipe. This makes it possible that pyrolysis gases through the coke bed in the gas space get the reactor and only the bound solid carbon in direct contact with the oxidizing agent comes.
Diese erfindungsgemäße interne Rückführung des heißen Kokses zur Wärmebereitstellung für die Trocknung und Pyrolyse des frischen Energieträgers kann auch vorteilhafter Weise über eine schachtartige Zuführung in eine Transportvorrichtung erfolgen, in der es die notwendige Wärme für die Trocknungs- und Pyrolyseprozesse abgibt und über die gesamte Länge des Reaktors hin zu einer weitern Transportvorrichtung befördert wird. Diese liegt vorteilhafter Weise über der ersten Transportvorrichtung und transportiert das Gemisch wieder hin zur Mitte des Reaktors. Dort wird wie oben beschrieben Oxidationsmittel zugegeben und die Austrittsöffnungen noch durch das Transportelement mechanisch beräumt. Die beschriebenen Transportvorrichtungen sind vorteilhafter Weise Schneckenförderer mit einer Neigung zwischen 0 und 45°.These internal feedback according to the invention of hot coke for heat supply for the Drying and pyrolysis of the fresh energy source can also advantageously via a shaft-like feeder done in a transport device in which it is the necessary Heat for the drying and pyrolysis processes and over the entire length of the reactor is transported to a further transport device. This is advantageously above the first transport device and transports the mixture back to the center of the reactor. There As described above oxidizing agent is added and the outlet openings still mechanically cleared by the transport element. The described Transport devices are advantageously screw conveyor with a slope between 0 and 45 °.
Vorteilhafter Weise wird das Oxidationsmittel regenerativ vorgewärmt in den Reaktor unter einem im Vergleich zum Reaktor geringen Überdruck geleitet. Dabei erfolgt die Zuführung über einen Verteilungsring am Ende der Transportvorrichtung. Über den Verteilungsring wird das über ein oder mehrere Rohre in den Reaktor geleitete Oxidationsmittel gleichmäßig verteilt.Favorable The oxidizing agent is preheated regeneratively in the reactor under a low compared to the reactor pressure directed. The supply is done via a Distribution ring at the end of the transport device. On the Distribution ring is placed over one or more pipes in the oxidant passed the reactor evenly distributed.
Das erzeugte Schwachgas folgt einer nach oben zum Gasaustritt hin gerichteten Strömung, die sich im Verlauf als Wirbelströmung ausbildet. Auf Grund der speziellen Anordnung des Gasaustrittes, der tangential jedoch nach innen in den Reaktor versetzt erfolgt, wird bereits im Reaktor eine Verbesserung der Gasqualität durch Abtrennen von Partikeln erreicht. Aus diesem Grund ist die Gasaustrittsöffnung vorteilhafterweise schlitz-, kanal- oder rohrförmig.The Weak gas produced follows an upward gas outlet towards Flow, which in the course as vortex flow formed. Due to the special arrangement of the gas outlet, the tangentially but offset inwardly into the reactor takes place is already in the reactor an improvement of the gas quality Separation of particles achieved. For this reason, the gas outlet opening advantageously slot, channel or tubular.
Alle Transport- und Rührvorrichtungen des Reaktors sind vorteilhafter Weise aus hochtemperaturbeständigen Werkstoffen ausgeführt.All Transport and stirring devices of the reactor are more advantageous Made of high temperature resistant materials.
Durch die Erfindung können Energieträger nahezu vollständig umgesetzt werden bei einer Reaktorleistung bis vorzugsweise 2 MW. Auch höhere Leistungen sind nicht grundsätzlich ausgeschlossenBy The invention can almost completely provide energy carriers be implemented at a reactor power to preferably 2 MW. Even higher benefits are not fundamental locked out
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet die Resttrocknung und Pyrolyse der Energieträger im untersten Bereich des Reaktors mit anschließender Vergasung bei hohen Temperaturen bis zu 1200°C unter Zugabe eines Oxidationsmittels.The inventive method includes the residual drying and pyrolysis of the energy sources in the lowest part of the Reactor with subsequent gasification at high temperatures up to 1200 ° C with the addition of an oxidizing agent.
Durch die Zumischung von heißem Koks zum frischen organischen Material und die beim weiteren Transport entstehende intensive Durchmischung wird Wärmeenergie für die Trocknung und im weiteren für die pyrolytische Zersetzung bereitgestellt. Dabei wird in einem Temperaturbereich des frischen Materials bis 200°C der Wasserdampf ausgetrieben. Anschließend erfolgt die Pyrolyse des Materials bei Temperaturen bis 700°C. Die dabei entstehenden Produkte, bestehend aus Pyrolysekoks und den gasförmigen Bestandteilen, wie Kohlendioxid, Wasserdampf, Wasserstoff, Kohlenmonoxid sowie kurz- und langkettige Kohlenwasserstoffe werden weiter mit heißem Koks aus der Oxidationszone vermischt. Die Vollständigkeit der pyrolytischen Zersetzung kann in Abhängigkeit der spezifischen Brennstoffanforderungen durch die Verweilzeit und durch Änderung der konkreten Abmessungen der Transportvorrichtung angepasst werden. Auf Grund der spezifischen Gesaltung der Transportvorrichtung in einem perforierten Rohr können die gasförmigen Pyrolyseprodukte durch die Koksmischung in den Gasraum des Reaktors strömen, so dass das entstandene Gemisch aus festen Pyrolysematerialien und dem heißen Koks zur Austrittsöffnung des Oxidationsmittels hin befördert wird. Das Oxidationsmittel wird über ein oder mehrere Zuführungsleitungen hin in ein Verteilsystem gefördert und dann gleichmäßig über einen Verteilungsring in Kontakt mit dem Material gebracht. Diese Zuführung kann je nach Lage der zweiten Transportvorrichtung seitlich oder von oben angeordnet sein und ermöglicht eine Gasströmung in den oberen Teil des Reaktors. Dies kann dadurch realisiert werden, dass das Oxidationsmittel unter Druck durch mehrere Öffnungen zugeführt wird und/oder das entstandene Schwachgas im oberen Bereich abgesaugt wird. Da an den Austrittsstellen des Oxidationsmittels lokal sehr hohe Temperaturen entstehen können, besteht damit die Gefahr von Versinterungen und Ascheschmelzen bis hin zu Ablagerungen und Behinderungen des stationären Betriebes. Aus diesem Grund werden diese Gefahrenstellen von der zweiten Transporteinrichtung ständig mechanisch beräumt. Wird das Material nicht vollständig in Gaskomponenten umgewandelt, entsteht Koks. Dieser Koks gelangt mit Temperaturen bis 800°C in den unteren Teil des Reaktors zurück und stellt die Wärmeenergie für die Trocknung und Pyrolyse des frischen Brennstoffes bereit. Das entstandene Gas gelangt auf Grund der Strömung im Reaktor in den oberen Bereich, hier erfolgt bei Temperaturen bis zu 1200°C und durch hohe Verweilzeit die Umsetzung von höheren Kohlenwasserstoffen. Zudem erfolgt auf Grund der Anordnung des Gasaustritts eine Gaswirbelströmung, die die Verweilzeit vergleichmässigt und daneben die Gasreinigung hinsichtlich mitgerissener kleiner Kokspartikel auf Grund der Zentrifugalwirkung ermöglicht. Die abgetrennten Partikel gelangen auf Grund der Schwerkraft wieder zurück in die Koksschüttung. Die Regulierung des Füllstandes dieser Schüttung und den Austrag von Inertstoffen bzw. Asche wird mit einer weiteren Transporteinrichtung realisiert. Um einen vollständigen Umsatz zu gewährleisten wird hier wieder ein Oxidationsmittel, wie Luft, Wasserdampf, Sauerstoff, sauerstoffhaltiges Abgas oder Kombinationen dieser Stoffe hinzugegeben. Auch hier wird die Gefahr der Versinterung durch ständige mechanische Bewegung des Materials an den Austrittsöffnungen realisiert. Das entstandene Abgas gelangt wieder in den unteren Reaktorteil und folgt der Hauptgasströmung zum Gasaustritt.The addition of hot coke to the fresh organic material and the intensive mixing resulting from further transport provide heat energy for the drying and, subsequently, for the pyrolytic decomposition. In this case, the water vapor is expelled in a temperature range of the fresh material to 200 ° C. Subsequently, the pyrolysis of the material takes place at temperatures up to 700 ° C. The resulting products, consisting of pyrolysis and the gaseous components such as carbon dioxide, water vapor, hydrogen, carbon monoxide and short and long-chain hydrocarbons are further mixed with hot coke from the oxidation zone. The completeness of the pyrolytic decomposition can be adjusted depending on the specific fuel requirements by the residence time and by changing the concrete dimensions of the transport device. Due to the specific configuration of the transport device in a perforated tube, the gaseous pyrolysis products can flow through the coke mixture into the headspace of the reactor so that the resulting mixture of solid pyrolysis materials and the hot coke is conveyed to the exit port of the oxidizer. The oxidant is conveyed through one or more supply lines towards a distribution system and then evenly over egg NEN distribution ring brought into contact with the material. Depending on the position of the second transport device, this feed can be arranged laterally or from above and allows a flow of gas into the upper part of the reactor. This can be achieved by supplying the oxidant under pressure through a plurality of openings and / or by suctioning off the resulting lean gas in the upper region. Since very high temperatures can occur locally at the exit points of the oxidizing agent, there is thus the danger of sintering and ash melts up to deposits and hindrances of the stationary operation. For this reason, these danger spots are permanently mechanically cleared by the second transport device. If the material is not completely converted into gas components, coke is formed. This coke returns at temperatures up to 800 ° C in the lower part of the reactor and provides the heat energy for the drying and pyrolysis of the fresh fuel ready. The resulting gas passes due to the flow in the reactor in the upper region, here at temperatures up to 1200 ° C and by high residence time, the reaction of higher hydrocarbons. In addition, due to the arrangement of the gas outlet, there is a gas vortex flow which makes the residence time uniform and, in addition, allows gas purification with respect to entrained small coke particles due to the centrifugal action. The separated particles return to the coke bed due to gravity. The regulation of the level of this bed and the discharge of inert materials or ash is realized with another transport device. In order to ensure complete conversion, an oxidizing agent, such as air, water vapor, oxygen, oxygen-containing exhaust gas or combinations of these substances is added here again. Again, the risk of sintering is realized by constant mechanical movement of the material at the outlet openings. The resulting exhaust gas returns to the lower part of the reactor and follows the main gas flow to the gas outlet.
In Abhängigkeit vom Durchsatz bzw. von der Verweilzeit wird der Brennstoff im wesentlich in den gasförmigen Zustand überführt. Den Reaktor verlässt so ein teerarmes, partikelarmes Schwachgas mit den Hauptenergieträgern Kohlenmonoxid, Wasserstoff und in geringem Maße Methan und den anderen nichtbrennbaren Bestandteilen Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf.In Depending on the throughput or of the residence time is the fuel is essentially transferred to the gaseous state. The reactor thus leaves a low-tar, low-particle weak gas with the main energy sources carbon monoxide, hydrogen and to a lesser extent methane and the other non-combustible Ingredients nitrogen, carbon dioxide and water vapor.
Auf Grund der hohen Gasaustrittstemperatur kann das abgesaugte Schwachgas zur regenerativen Vorwärmung des Oxidationsmittels oder zu einer anderen Wärmenutzung verwendet werden. Das erzeugte Gas ermöglicht gegebenenfalls nach einer weiteren Reinigung die motorische Nutzung zur Bereitstellung von Elektroenergie und Wärme.On The reason for the high gas outlet temperature is the extracted lean gas for regenerative preheating of the oxidizing agent or to be used for another heat use. The generated Gas may be available after further purification the motor use for the provision of electric power and Warmth.
Als vorteilhaft für die Transportvorrichtungen sind Förderschnecken, welche durch Anpassen der jeweiligen Drehzahlen die Temperaturen und die Geschwindigkeiten bzw. Verweilzeiten der Energieträger in den einzelnen Re aktorteilen aktiv beeinflussen können.When advantageous for the transport devices are screw conveyors, which by adjusting the respective speeds the temperatures and the speeds or residence times of the energy carriers in the individual shareholder parts.
Kurze Beschreibung von ZeichnungenShort description of drawings
Die Zeichnungen stellen zwei Möglichkeiten zur Realisierung der beschriebenen Vorrichtung und des Verfahrens dar. Die Beschreibung erfolgt an hand eines folgenden Ausführungsbeispiel.The Drawings represent two possibilities for realization the described device and the method. The description takes place on hand of a following embodiment.
Die beste Art und Weise, die Erfindung auszunutzenThe best way, the invention exploit
Die Funktionsweise des Verfahrens in der Vorrichtung soll an einer Beispielausführung erläutert werden.The Operation of the method in the device is intended to an example embodiment be explained.
Der
Reaktor zur Schwachgaserzeugung hat eine Gesamthöhe (ohne
Füße) von 2,5 m und einen Innendurchmesser von
1 m. Der Schneckenförderer (
Der nicht umgesetzte Koks fällt über die obere Rohrkante in die darunter befindliche Schüttung und wird dem frischem Brennstoff zugemischt.The unreacted coke falls over the upper edge of the pipe in the underlying bed and is mixed with the fresh fuel.
Der
Füllstand wird über eine dritte Schnecke (
In dieser Schnecke wird ein geringer Volumenstrom Oxidationsmittel zugeführt, um den vollständigen Ausbrand zu gewährleisten.In This screw is a low volume oxidant supplied to ensure complete burnout.
Die Stellen, an denen lokal hohe Temperaturen auftreten können, also im Reaktor am Ende des senkrechten Rohres, wo die vorgewärmte Luft zudosiert wird und in der Schnecke, in der der Ausbrand der Asche realisiert wird, werden mechanisch durch die Schneckenförderer bzw. Rührer selbst beräumt. Somit werden Verschlackungen und Versinterungen verhindert.The Places where locally high temperatures can occur So in the reactor at the end of the vertical pipe, where the preheated Air is dosed and in the snail, in which the burnout of the Ash is realized mechanically by the screw conveyors or stirrer itself cleared. Thus, slagging and prevents sintering.
Der heiße Gasraum mit einer Höhe von 1,8 m wird von dem erzeugten Schwachgas durchströmt und weist Temperaturen bis 1200°C auf.Of the hot gas space with a height of 1.8 m is used by flows through the generated lean gas and has temperatures up to 1200 ° C.
Im Reaktor ist die Gasaustrittsöffnung schlitzartig mit einer Höhe von 300 mm und einer Breite von 100 mm angeordnet, so dass ein Gaswirbel entsteht und das Gas auf Grund der Zentrifugalkraft von mitgerissenen Partikeln befreit wird. Die Mitte des Gasaustritts befindet sich dabei in einem Abstand von 350 mm zur Reaktormitte. Dadurch werden die zur Wand trans portierten Partikel nicht mit ausgetragen sondern fallen an der zylindrischen Wand zurück in die Koksschüttung.in the Reactor, the gas outlet opening is slotted with a Height of 300 mm and a width of 100 mm, so that a gas vortex is created and the gas due to the centrifugal force is freed from entrained particles. The middle of the gas outlet is located at a distance of 350 mm to the reactor center. As a result, the particles transported to the wall are not discharged but fall back to the cylindrical wall in the Coke charge.
Die Gasmenge von 480 Nm3/h wird mit einem Gebläse abgesaugt, die thermische Energie des Gases wird zur regenerativen Luftvorwärmung und für andere Wärmenutzung verwendet und die chemische Gasleistung von 400 kW wird in einem Zündstrahlmotor zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt.The gas volume of 480 Nm 3 / h is extracted with a blower, the thermal energy of the gas is used for regenerative air preheating and other heat utilization and the chemical gas power of 400 kW is used in a Zündstrahlmotor to generate electricity and heat.
- 11
- Transportvorrichtung zur Materialzuführungtransport device for material supply
- 22
- zweite Transportvorrichtungsecond transport device
- 33
- dritte Transportvorrichtung bzw. Ausbrandschneckethird Transport device or Ausbrandschnecke
- 44
- Austrittsöffnung des Oxidationsmittelsoutlet opening of the oxidizing agent
- 55
- Gasaustrittgas outlet
- 66
- Schachtöffnungenshaft openings
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- - „Energie aus Biomasse" von M. Kaltschmitt (Springer Verlag, 2001) [0002] - "Energy from Biomass" by M. Kaltschmitt (Springer Verlag, 2001) [0002]
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Cited By (2)
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-
2006
- 2006-12-13 DE DE102006058673A patent/DE102006058673A1/en not_active Withdrawn
Non-Patent Citations (1)
Title |
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"Energie aus Biomasse" von M. Kaltschmitt (Springer Verlag, 2001) |
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DE102015215143B4 (en) | 2015-08-07 | 2018-06-14 | Hochschule Merseburg | Method and apparatus for low gas production by thermochemical partial oxidation of solid biomass |
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