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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren
zur thermochemischen Umwandlung von Biomasse bzw. kohlenstoffhaltigen
Rohstoffen, insbesondere von Holzhackgut, in Synthesegas.
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Biomasse
wird nach einer Trocknung, insbesondere zum Eliminieren eines eventuell
vorhandenen Wasseranteils in der Biomasse, durch Pyrolyse in gasförmige
und flüchtige Bestandteile zersetzt. Die Pyrolyse erfolgt
insbesondere unter thermischer Einwirkung von vorzugsweise ca. 200°C
bis 700°C. Um eine Verbrennung der Biomasse zu verhindern
wird die Pyrolyse in einer entsprechenden Atmosphäre durchgeführt.
Die Pyrolyse erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen unter Ausschluss
von Luft bzw. Sauerstoff. Endprodukte der thermochemischen Zersetzung
sind insbesondere Gase wie CO3 CO2, H2, CH4,
flüchtige, ölige Bestandteile, Koks und/oder Wasserdampf.
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Anschließend
erfolgt eine Oxidation bzw. partielle Oxidation. Hierbei wird durch
das Einbringen von Vergasungsmittel, wie zum Beispiel Luft, Wasserdampf,
Kohlendioxid und/oder Sauerstoff, der bis zu diesem Prozessschritt
feste und flüssige Anteil des Vollstroms, vorzugsweise
des ungeteilten Materialstroms des Pyrolyseprodukts, ebenfalls zumindest
teilweise in eine Gasform übergeführt. Der partielle
Oxidationsprozess findet vorzugsweise in Temperaturbereichen von
ca. 800° bis 1700°, vorzugsweise von ca. 1000° bis
1300°C statt, wobei derartige Temperaturen einen Teil der
in der Pyrolyse gebildeten Stoffe, wie zum Beispiel Teere, zu zersetzen
bzw. zu cracken vermag.
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Dem
schließt sich die Reduktion an. In der Reduktion reagieren
insbesondere die durch die Oxidation entstandenen Stoffe. Es werden
vorzugsweise die durch die Oxidation entstandenen anfänglich
hohen Temperaturen, insbesondere aufgrund der Endothermie der ablaufenden
Redoxraktionen, reduziert.
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Im
Anschluss daran kann das produzierte Gas nach entsprechender Kühlung
und möglichen Energierückgewinnungs- und Reinigungsstrecken zum
Betrieb von Wärmekraftmaschinen o. a. verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das produzierte Gas einem
weiteren Veredelungsprozess, bspw. zur Biotreibstoffherstellung,
zugeführt, oder bspw. in Brennstoffzellen verwertet werden
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Basierend
auf den ersten Entwicklungen in diesem Bereich erfolgte eine Vielzahl
von Weiterentwicklungen, welche im Wesentlichen alle die Nutzbarmachung
von Biomasse zum Ziel hatten. Im Folgenden werden bekannte Verfahren
kurz diskutiert.
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Die
Wirbelschichtvergasung, wie beispielsweise in der
DE-A-4 413 923 beschrieben,
ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass große Mengen
an Rohstoff effizient umgesetzt werden können. Aufgrund
einer dem Verfahren zugrundeliegenden schnellen Pyrolyse kommt es
jedoch zu hohen Konzentrationen an Teeren im Produktgas. Eine aufwendige
Gasreinigung wird dadurch notwendig, wodurch sich ein ökonomischer
Betrieb selbst für große Anlagen äußerst
schwierig gestaltet.
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Das
Verfahren der Festbettvergasung, ausgeführt durch einstufige
Gleichstrom bzw. Gegenstromvergaser, wie beispielsweise in den Anmeldungen
EP-A-1 203 802 ,
DE-U-20 2004 011 213 ,
DE-A-100 307 78 oder
WO9426849 beschrieben, ist vor
allem durch seine einfache Bauweise gekennzeichnet. Jedoch ist die
Festbettvergasung hinsichtlich der Regelbarkeit, Anlagengröße,
Gasreinheit und auch der Rohstoffflexibilität stark eingeschränkt.
Zudem ergibt sich ein hohes Verschlackungsrisiko, selbst bei niedrigen
Aschegehalten im Brennstoff, im Bereich der Festbettauflage, die
beispielweise durch einen Gitterrost gebildet wird.
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Bei
der einstufigen Gegenstromvergasung, wie beispielsweise in den Anmeldungen
WO-A-2005047436 und
DE-A-33 46 105 beschrieben,
kommt hinzu, dass ähnlich hohe Kondensatrückstände
im Produktgas enthalten sind wie bei der Wirbelschichtvergasung.
Weiterhin ist die Lufteinbringung in die Oxidationszone, insbesondere
bei größeren Anlagen, schwierig zu gestalten.
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Mehrstufige
Vergasungskonzepte bedienen sich der Möglichkeit die einzelnen
Prozessstufen der thermochemischen Umwandlung, d. h. der Trocknung,
Pyrolyse, Oxidation und Reduktion, räumlich voneinander
zu trennen. Die Ausführung der Pyrolyseeinheit ist dabei
weniger entscheidend und erfolgt nach bewährten Verfahren,
wie beispielsweise in der
DE-A-31
26 049 beschrieben.
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Wie
in den Anmeldungen
WO-A-0250214 und
JP-A-2003253274 beschrieben,
kann der Feststoffstrom nach der Pyrolyse getrennt vom Gasstrom verarbeitet
werden. Dadurch entsteht die Möglichkeit sehr reines Synthesegas
aus der Feststofffraktion zu gewinnen. Die Pyrolysegasfraktion,
insbesondere umfassend gasförmige Komponenten sowie die
bei der Pyrolyse entstehende Teer- bzw. Kondensatfraktion, welche
bis zu 80% des Inputmassenstroms, repräsentiert, kann dabei
aber nur zum Teil effizient genutzt werden. Eine zusätzliche
Verwertungseinheit für den zweiten Stoffstrom ist zudem
notwendig. Verfahren, die die Stoffströme nach ihrer Aufspaltung wieder
zusammenführen, wie bspw. in den Anmeldungen
WO-A-9921940 ,
WO-A-0168789 und
WO-A-0006671 beschrieben,
sind ebenfalls bekannt, jedoch sind aufwendige Manipulationseinheiten
für diesen Verfahrensschritt notwendig. In beiden Fällen kommt
es zu einer Verkomplizierung und wesentlichen Verteuerung der Kernkomponenten
des Verfahrens.
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Weiter
ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Vollstrom aus dem Pyrolyseprozess,
inkl. fester, flüssiger und gasförmiger Anteile,
partiell oxidiert wird, bevor er durch ein aus Pyrolysekoks bestehendes Festbett
oder ähnliches dringt und dabei reduzierend auf das Bettmaterial
wirkt. Die Anmeldungen
DE-A-198
46 805 ,
WO-A-0114502 und
WO-A-0183645 beschreiben
bspw. ein solches Vorgehen. Dieses Verfahren ermöglicht
aufgrund der räumlich getrennten partiellen Oxidation hohe
Gasqualitäten, bei gleichzeitiger hoher Rohstoffflexibilität, hoher
Effizienz und relativ niedrigem Anlagenaufwand. Ein wesentlicher
Problempunkt dieses Verfahrens liegt in der Leistungslimitierung
durch den auftretenden Druckverlust im Festbett, wie in der Veröffentlichung
„Pressure
characterization of multi-staged fixed-bed gasification plants"
von Huber M., Kreutner G., Berlin 2007 diskutiert, sodass
die Realisierung von Anlagen im Bereich von über 1 MW Gasleistung
nicht möglich erscheinen. Ebenso wie bei den einstufigen
Festbettvergasern erschweren Verschlackungen im Festbettbereich
zudem den sicheren Langzeitbetrieb dieses Verfahrens.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung
und ein entsprechendes Verfahren zur Vergasung von Biomasse bzw. kohlenstoffhaltigen
Rohstoffen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
der Patentansprüche gelöst. Die abhängigen
Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung.
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Ein
erfindungsgemäßer mehrstufiger Vergaser, insbesondere
ein Vollstromvergaser, weist vorzugsweise Einzelkomponenten mit
einer einfachen, wartungsarmen und verschlackungssicheren Bauweise
auf. Ferner ist er vorzugsweise nicht auf Anlagengrössen
unter 1 MW Gasleistung beschränkt und insbesondere nicht
in Bezug auf Größe oder Leistung limitiert sondern
beliebig upscalebar. Das erzeugte Synthesegas ist vorzugsweise ohne
aufwendige Gasreinigung für eine nachfolgende Gasverwertung verwendbar.
Vorzugsweise können durch das mehrstufige Verfahren auch
Rohstoffe verschiedener Größe effizient in Synthesegas
verarbeitet werden.
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Die
Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, einen aus der Pyrolyse
erhaltenen Vollstrom, also insbesondere den ungeteilten Strom mit
festen, flüssigen und gasförmigen Anteilen, durch
die Einbringung eines Vergasungs- bzw. Oxidationsmittels in einer
Oxidationseinheit zumindest partiell zu oxidieren. Hierbei wird,
insbesondere durch die mit der Oxidation einhergehende Volumenexpansion
des Vollstroms und/oder den Druck und/oder die Geschwindigkeit des
eingebrachten Vergasungsmittels, vorzugsweise neben gasförmigem
auch flüssigem und festem Material und insbesondere der
Vollstrom in Richtung einer Materialausgangsöffnung der
Oxidationseinheit transportiert. Vorzugsweise wird der Vollstrom
ausgehend von einer Pyrolyseeinheit über die Oxidationseinheit
in Richtung einer Reduktionseinheit transportiert. Der Transport
des Stroms erfolgt somit entlang der Oxidationsstrecke und im Wesentlichen
gleichzeitig mit der Oxidation, vorzugsweise durch das Oxidations-
bzw. Vergasungsmittel. Der Transport des Materials erfolgt weiterhin
vorzugsweise unabhängig von der Reaktion und vorzugsweise durch
eine Strömungsquerschnittsverengung beim Übergang
von der Pyrolyseeinheit in die Oxidationseinheit sowie durch die
Einbringung eines zusätzlichen Stoffstromes, vorzugsweise durch
das Einbringen von Vergasungsmittel. Das Einbringen von Vergasungsmittel
erfolgt vorzugsweise mit einem Druck über dem in der Pyrolyse
oder Oxidationseinheit herrschenden Druck und mit einer Geschwindigkeit
größer 0 m/s. Als Vergasungsmittel werden vorzugsweise
Gase wie beispielsweise Luft, Wasserdampf, Kohlendioxid und/oder
Sauerstoff verwendet. Vorzugsweise kann zumindest teilweise in Motorabgasen enthaltenes
CO2 als Vergasungsmittel verwendet werden.
Das eingebrachte Transportmittel wirkt vorzugsweise oxidierend,
reduzierend und/oder inert auf den Vollstrom.
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Die
Pyrolyseeinheit weist hierbei vorzugsweise einen Strömungsquerschnitt
auf, der durch den Volumenstrom durchströmt wird, der größer
als der oder gleich dem Strömungsquerschnitt der Oxidationseinheit
ist. Die Einbringung des Vollstroms aus der Pyrolyseeinheit in die
Oxidationseinheit erfolgt vorzugsweise, bezogen auf das Gravitationsfeld,
im wesentlichen von oben.
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Vorzugsweise
sind in bzw. an der Oxidationseinheit mehrere Düseneinheiten
zur Einbringung von Vergasungsmittel angeordnet. Derartige Einheiten zur
Einbringung von Vergasungsmittel sind vorzugsweise entlang des Transportwegs
bzw. der Länge der Oxidationseinheit und/oder entlang des
Querschnitts des Transportwegs bzw. der Oxidationseinheit angeordnet.
Vorzugsweise wird, insbesondere beim Auftreten von größeren
Korngrößen der sich im aus der Pyrolyseeinheit
kommenden Strom befindenden Feststoffe, an mehreren Positionen Vergasungsmittel in
die Oxidationseinheit eingebracht. Besonders bevorzugt wird die
Geschwindigkeit des Vollstroms in der bzw. aus der Oxidationseinheit
so gesteuert bzw. geregelt, dass sie im Wesentlichen konstant ist
und dass der pneumatische Transport des Vollstroms gewährleistet
ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine
(erste) Düseneinheit am Eingang, also im Bereich des Materialeingangs,
der Oxidationsstrecke und/oder eine (zweite) Düseneinheit
am Ausgang, also im Bereich des Materialausgangs, der Oxidationsstrecke
auf.
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Vorzugsweise
dient eine erste Düseneinheit, vorzugsweise am Eingang
der Oxidationsstrecke bzw. -einheit angeordnet, dem Einbringen eines
Vergasungs- bzw. Oxidationsmittels zum Transport, insbesondere zum
pneumatischen Transport, des Materialtroms. Vorzugsweise dient das über
die erste Düseneinheit eingebrachte Vergasungs- bzw. Oxidationsmittel
ferner der Oxidation der entsprechenden Materialstromanteile. Das
Vorsehen einer (zweiten) Düseneinheit am Ende der Oxidationstrecke
erweist sich insbesondere zum Verhindern bzw. Verringern eines Druckverlusts
entlang der Oxidationsstrecke und/oder zur Leistungsregelung als
vorteilhaft. Vorzugsweise wird insbesondere über die erste
Düseneinheit im Wesentlichen der Transport bzw. der pneumatische
Transport, sichergestellt. Das optionale Vorsehen mindestens einer
zweiten Düseneinheit, bspw. im Bereich des Materialausgangs,
dient insbesondere der Leistungsregelung, insbesondere bei Verwendung
weiterer oder anderer Brennstoffe. Das Material wird vorzugsweise
kontinuierlich, insbesondere entlang der Oxidationseinheit, transportiert.
Insbesondere bedingt die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Zwangsführung bzw. einen definierten Transport des
Materials bzw. des Vollstroms. Hierbei erfolgt vorzugsweise eine
optimale Durchmischung des Vollstroms, insbesondere durch die beschriebene
Anordnung der Düseneinheiten.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Oxidation mindestens einstufig. Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen erfolgt die Oxidation zwei- oder mehrstufig. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße
Verfahren sind hierzu entsprechend anzupassen, wie es dem Fachmann
geläufig ist. Beispielsweise durch das Vorsehen mehrerer
Vorrichtungen oder einer Vorrichtung mit mehreren Oxidationsbereichen.
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Vorzugsweise
erfolgt die Oxidation beim ersten Start bzw. Anfahren der Vorrichtung
von selbst, wobei für die Selbstzündung insbesondere
das Vorliegen einer bestimmten Temperatur erforderlich ist. Alternativ
oder zusätzlich kann die Zündung durch einbringen
einer Zündfunkens oder dgl. erfolgen bzw. unterstützt
werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
erfolgt zur Startzündung der Oxidation eine Auffettung
des Gemisches, bspw. durch Einbringen von bspw. Propan oder Methan.
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Vorzugsweise
ist an einer Ausgangsöffnung der Oxidationseinheit eine
Reduktionseinheit so angeordnet, dass das aus der Oxidationseinheit
austretende Material in die Reduktionseinheit gelangt. Besonders
bevorzugt reduzieren das zuvor oxidierte bzw. die Oxidationseinheit
verlassende Material bzw. die Produkte der Oxidationseinheit in
der Reduktionseinheit, insbesondere in einer Reduktionszone. In der
Reduktionseinheit laufen vorzugsweise Redoxreaktionen u. a. zwischen
Gas- und Feststoff ab.
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Die
Reduktionseinheit weist vorzugsweise einen sich zur Ausgangsöffnung
der Oxidationseinheit hin verjüngenden Querschnitt auf.
Vorzugsweise ist der Querschnitt derart, dass das Material im Wesentlichen
in der Schwebe gehalten und reduziert wird. Die Reduktionseinheit,
und insbesondere der Querschnitt bzw. Strömungsquerschnitt
der Reduktionseinheit, derart ausgebildet, daß sich ein
vorzugsweise stabiles, weiterhin vorzugsweise in Schwebe gehaltenes
Bett ausbildet. Das Bett umfaßt hierbei insbesondere die
im Material- bzw. Vollstrom enthaltenen Festkörper bzw.
-teilchen. Das im Materialstrom bzw. Vollstrom enthaltene Gas bzw.
der gasförmige Anteil strömt vorzugsweise entlang
der Reduktionseinheit, wobei vorzugsweise das Feststoffbett in Schwebe
und stabil ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Reduktionseinheit
derart ausgebildet, dass über den Querschnitt der Reduktionseinheit
eine im Wesentlichen gleichmäßige Materialströmung
bzw. Materialströmungsgeschwindigkeit, vorzugsweise nur des
gasförmigen Anteils erreicht wird.
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Vorzugsweise
weist der Strömungsquerschnitt der Reduktionseinheit, insbesondere
um die obigen Merkmale zu ermöglichen, eine sich in Richtung
Materialausgang erweiternde Trompetenform, insbesondere eine sich
in Strömungsrichtung trompetenförmig öffnende
Innenfläche, auf. Der Vorteil einer solchen trompetenförmigen,
sich öffnenden Ausgangsmündung liegt darin, dass
insbesondere schwer zu kontrollierende Ablösezonen an deren
Innenfläche vermieden werden, die beispielsweise zu Wirbeln
führen, wodurch die Stabilität und/oder die Schwebe
des Betts negativ beeinflußt werden könnten. Mit
einer solchen speziell geformten Form bzw. Strömungsquerschnitt
wird insbesondere sichergestellt, dass die Strömung des
gasförmigen Mediums glatt und ablösefrei über
die Innenfläche geführt wird.
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Es
sei bemerkt, dass mit dem Begriff "trompetenförmig" verschiedene,
nicht unbedingt nur kreisförmige Öffnungen umfaßt
sind. Entscheidend ist insbesondere, dass sich der Strömungsquerschnitt
insgesamt zum Ausgang der Mündungskante hin ständig
vergrössert, wobei eine "lineare" Vergrösserung
in Form einer kegelstumpfartigen Ausgangsmündung noch nicht
unbedingt den gewünschten Erfolg bringt.
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Die
obigen Merkmale werden vorzugsweise durch eine Abstimmung des sich
in Stromrichtung erweiternden Querschnitts der Reduktionseinheit
mit der Expansion bspw. des Gasstroms bewirkt. Vorzugsweise erweitert
sich der Querschnitt der Reduktionseinheit in Strömungsrichtung
etwa trompetenförmig. Dadurch werden vorzugsweise in der
Reduktionszone Verwirbelungen im Wesentlichen vermieden. Vorteilhafterweise
erlaubt die erfindungsgemäße Ausgestaltung insbesondere
eine gleichmäßige Geschwindigkeitsreduktion ohne
Verwirbelungen und damit vorzugsweise ein schwebendes, gleichmäßiges
und dichtes Bett.
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In
der Reduktionseinheit werden vorzugsweise feste bzw. flüssige
Stoffe bis zu einer bestimmten Materialkorngröße
mittels eines, vorzugsweise mechanischen, Rückhaltesystems
zurückgehalten, um eine bestimmte Gasreinheit am Ausgang
der Reduktionseinheit zu erzielen. Das Rückhaltesystem
ist optional und vorzugsweise als Massenkraftrückhaltesystem
ausgebildet.
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Die
Erfindung ermöglicht eine wesentliche Vereinfachung der
Vergasungseinheit im Vergleich zu herkömmlichen Festbett-
aber auch Teilstromvergasern. Durch den insbesondere pneumatischen Transport
des Pyrolysegutes zur Reduktionseinheit bei gleichzeitiger partieller
Oxidation wird eine Reduktion der Teere aus der Pyrolyse, die Bereitstellung der
notwendigen Energie zur nachfolgenden Reduktion, ein vollständiger
Weitertransport aller Produkte aus der Pyrolyse und der Rückhaltung
nicht vergaster Komponenten durch Massenkraftrückhaltesysteme
ermöglicht. Ein auf den Vollstrom reduzierend wirkendes
Vergasungsbett, ohne den nachteiligen Druckverlust eines Festbettes
bei gleichzeitiger Effizienz und Verschlackungssicherheit wird somit
ermöglicht. Mechanische Einbauten wie Roste und/oder ähnliches
und/oder zusätzliches Bettmaterial, wie Quarzsand und/oder ähnliches
sind nicht mehr zwingend erforderlich. Ebenfalls fallen notwendige
Manipulationseinheiten zur Stoffstromtrennung nach der Pyrolyse
weg. Der Hochtemperaturbereich (Oxidationszone) wird stark eingeschränkt;
eine einfache Bauweise verringert zudem Gestehungs- und Wartungskosten.
Das Verfahren sowie die Vorrichtung erlauben insbesondere eine einfache
technische Realisierung der Vergasungshauptkomponenten, eine hohe
Gasqualität bereits vor der Gasreinigung, eine hohe Verschlackungssicherheit
und/oder eine hohe Effizienz.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben; es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Ausführungsform eines
mehrstufigen Vollstromvergasers;
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2 eine
erfindungsgemäße Ausführungsform eines
mehrstufigen Vollstromvergasers mit einer Feststoffrückführung;
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3 eine
erfindungsgemäße Ausführungsform eines
mehrstufigen Vollstromvergasers mit einer Reduktionseinheit, die
ein Feststoffrückhaltesystem aufweist;
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4 eine
erfindungsgemäße Ausführungsform eines
mehrstufigen Vollstromvergasers mit einer Oxidationseinheit, die
Strömungsstabilisatoren aufweist;
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5 ein
Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
mehrstufigen Vollstromvergasers. Zu vergasendes Material, wie Biomasse
bzw. kohlenstoffhaltige Rohstoffe, werden einer Pyrolyseeinheit 1 zugeführt.
Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines achsenlosen Spiralfördersystems.
Die Pyrolyseeinheit ist vorzugsweise stehend bzw. senkrecht angeordnet
und weist eine im Wesentlichen vertikale Steigschnecke 4 auf.
Das Pyrolysegut bzw. zu vergasende Material wird über eine vorzugsweise
achslose, im Wesentlichen vertikal angeordnete Schnecke 4 zu
einem Auswurf 5 befördert. Vorzugsweise erfolgt
die Pyrolyse als allo- bzw. autotherme Verschwelung, also mit bzw.
ohne äußere Energiezufuhr.
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Vorzugsweise
erfolgt die Einbringung von Wärme in die Pyrolyseeinheit 1 mittels
heißen Gasen. Vorzugsweise werden heiße Gase mittels
mindestens einer Gasdüse 6 in die Pyrolyseeinheit 1 eingebracht.
Derartige Gase wirken vorzugsweise reduzierend, oxidierend und/oder
inert auf das Material bzw. Aufgabegut.
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Anstatt
der Eindüsung von heißen Gasen erfolgt bei der
autothermen Pyrolyse eine Einbringung einer definierten Menge von
Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft bzw. Sauerstoff. Bei einem gewissen Anteil
des zu pyrolysierenden Gutes erfolgt somit eine Verbrennungsreaktion
aus welcher die nötige Wärme für die
Pyrolyse des Restmaterials bezogen wird.
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Die
in die Pyrolyseeinheit 1 eingebrachte Wärme kann
also extern erzeugt oder von einem anderen Prozessschritt des Vollstromvergasers
zurückgeführt werden. In der Pyrolyseeinheit 1 wird
eine auto- bzw. allotherme Verschwelung des zu vergasenden Materials
sichergestellt. D. h. eine Verbrennung wird vorzugsweise durch eine
entsprechende Atmosphäre verhindert.
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Die
hier beschriebene Pyrolyseeinheit 1 stellt eine vorteilhafte
und bevorzugte Ausführungsform dar, die zum besseren Verständnis
der Erfindung gezeigt wird. Sie kann durch andere bekannte Pyrolyseeinheiten
bzw. Verfahren ersetzt werden.
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Das
Material, das die Pyrolyseeinheit durchlaufen hat, gelangt über
einen Auslass 5 zu einer Oxidationseinheit 2.
In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform gelangt das
pyrolysierte Gut gravimetrisch im Vollstrom zusammen mit dem Verschwelgas in
die in die Oxidationseinheit 2. Vorzugsweise fällt das
aus der Pyrolyseeinheit kommende Material über den Auslass 5 zur
Oxidationseinheit 2 ohne weitere Maßnahmen. Durch
optionale Maßnahmen kann der Materialfluss zwischen der
Pyrolyseeinheit 1 und der Oxidationseinheit 2 sowie
durch die Oxidationseinheit hindurch sichergestellt bzw. beeinflusst
werden, beispielsweise durch einen im Wesentlichen nach der Pyrolyseeinheit 1 angeordneten
Zerkleinerer.
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Der
aus der Pyrolyseeinheit 1 austretende Vollstrom weist feste,
flüssige und gasförmige Bestandteile auf.
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In
der erfindungsgemäßen Oxidationseinheit 2 wird
ein Vergasungsmittel in den Vollstrom eingebracht. Vorzugsweise
wird das Vergasungsmittel mittels mindestens einer Düseneinheit 7, 8 in
den Vollstrom eingebracht. Eine Düseneinheit 7, 8 ist
vorzugsweise so an der Oxidationseinheit 2 angeordnet, dass
durch das Einbringen des Vergasungsmittels das Material im Wesentlichen
von einem Materialeingang der Oxidationseinheit 2 durch
eine Oxidationszone zu einer Materialausgangsöffnung transportiert wird.
Vorzugsweise wird das Material durch die Geschwindigkeit, den Druck
und/oder die Richtung des eingebrachten Vergasungsmittels und/oder
durch eine Volumenzunahme des Vergasungsmittels, die mit der Oxidation
einhergeht, transportiert. Das eingebrachte Vergasungsmittel expandiert
vorzugsweise zumindest einen Teil des Vollstroms, wodurch ein Druck
entsteht. Vorzugsweise expandiert das Vergasungsmittel alleine den
Vollstrom nur teilweise und zusätzlich expandiert die Gasfraktion
des Vollstromes durch die Temperaturerhöhung aufgrund der vorzugsweise
exotherm ablaufenden Redoxreaktionen der Oxidationseinheit. Die
Oxidation bedingt insbesondere eine Temperatur- und Geschwindigkeitserhöhung
des Gases.
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Vorzugsweise
erfolgt der Transport des Materials bzw. des Materialstroms oder
des Vollstroms durch die Geschwindigkeit und optional das Volumen des
eingebrachten Vergasungsmittels, bzw. wird dadurch unterstützt.
Weiterhin vorzugsweise, wird der Transport des Materials durch die
Oxidationseinheit durch eine spezielle Ausgestaltung der Strömungsquerschnittflächen
der Vorrichtung unterstützt. Vorzugsweise weist der Strömungsquerschnitt
im Bereich vor der Oxidationseinheit 2 eine erste Größe auf,
die größer oder gleich der Größe
des Strömungsquerschnitts der Oxidationseinheit ist. Vorzugsweise
sind die Oxidationseinheit und/oder die Zuführung zur Oxidationseinheit
in etwa rohrförmig ausgebildet. Vorzugsweise weist die
Zuführung zur Oxidationseinheit einen Durchmesser von etwa
10 cm bis 60 cm, vorzugsweise von etwa 30 cm und die Oxidationseinheit
einen Durchmesser von etwa 5 cm bis 30 cm, vorzugsweise von etwa
20 cm auf. Die Größen und Größenverhältnisse
sind vorzugsweise insbesondere abhängig von der Leistung
der Vorrichtung.
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Die
Ausrichtung der Oxidationseinheit ist vorzugsweise in etwa horizontal,
weiterhin vorzugsweise in einem Bereich von etwa +60° bis –60° zur Horizontalen.
Das in die Oxidationseinheit eingebrachte Material weist vorzugsweise
eine Strömungsrichtung auf, die in einem spitzen Winkel
zur Strömungsrichtung des Materials in der Oxidationseinheit
ausgerichtet ist und vorzugsweise in einem Winkel von etwa 10° bis
100° zur Strömungsrichtung des Materials in der
Oxidationseinheit ausgerichtet ist. Die winklige Ausrichtung der
Bereiche zueinander und/oder das Strömungsquerschnittsverhältnis
vor zu in der Oxidationseinheit 2 resultiert vorzugsweise in
einer Sogwirkung, die den Transport des Materials entlang der Oxidationseinheit 2 unterstützt.
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Die
Vermischung beider Ströme, insbesondere des Pyrolyse Vollstroms
und des Vergasungsmittelstroms, und insbesondere zusammen mit einer Strömungsquerschnittreduktion
in der Oxidationszone stellt vorzugsweise den Transport des Materials, insbesondere
durch die bzw. entlang der Oxidationseinheit sicher.
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Vorzugsweise
wird der Materialtransport ferner durch die Verbrennung und die
Temperaturerhöhung unterstützt.
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Die
Oxidationseinheit 2 ist dabei so ausgestaltet, dass durch
den Druck und/oder die weiteren genannten Mechanismen das Material
in Richtung der Materialausgangsöffnung transportiert wird.
Vorzugsweise vergrößert sich zumindest teilweise
der Strömungsquerschnitt der Oxidationseinheit 2 in
Materialtransportrichtung, d. h. in Richtung des Materialausgangs.
Alternativ ist dieser Strömungsquerschnitt vorzugsweise
konstant.
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Wie
in 1 wiedergegeben ist mindestens eine Düseneinheit 7,
die eine oder mehrere Düsen zum Einbringen von Vergasungsmittel
aufweist, außerhalb des Volumenstromwegs angeordnet. Vorzugsweise
ist eine Düseneinheit 7 im Bereich einer Richtungsänderung
des Volumenstromwegs angeordnet. Wie in der in 1 dargestellten
bevorzugten Anordnung erfährt der Volumenstrom beim Eintritt
in die Oxidationseinheit 2 vorzugsweise eine Richtungsänderung
von etwa 20° bis 160°, vorzugsweise etwa 20° bis
70°, etwa 45° bis 135° und ebenfalls
bevorzugt von etwa 90° oder etwa 45°. Besonders
bevorzugt erfolgt die Richtungsänderung in einem spitzen
Winkel, so dass keine schlagartige Richtungsänderung des
Stroms erfolgt. Hierbei ist eine Düseneinheit vorzugsweise
außerhalb des Volumenstroms und in Ausrichtung mit dem
Weg des Volumenstroms in der Oxidationseinheit, vorzugsweise rückwärtig bzw.
hinter dem Weg des Volumenstroms in der Oxidationseinheit angeordnet.
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Vorzugsweise
wird an mehreren Positionen entlang der Oxidationseinheit 2 Vergasungsmittel eingebracht.
Durch diese mehrstufige Oxidation kann der Vollstromvergaser feste
Vollstrombestandteile verschiedener Größen verarbeiten.
Vorzugsweise werden auch flüssige Vollstrombestandteile,
wie zum Beispiel Teere, im Wesentlichen vollständig oxidiert oder
durch die dort herrschenden hohen Temperaturen zersetzt bzw. gecrackt.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung der Oxidationseinheit
und insbesondere die erfindungsgemäße Einbringung
von Vergasungs- bzw. Oxidationsmittel, insbesondere an mehreren
Stellen entlang der Oxidationseinheit, bedingt das Vorliegen einer
hohen, turbulenten Strömung, was wiederum zu einer guten
Durchmischung des Vollstroms und damit zu einer verbesserten Oxidation
führt.
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Besonders
bevorzugt kann, insbesondere bei einer mehrstufigen Oxidation, die
Geschwindigkeit des Vollstroms gesteuert bzw. geregelt werden, wodurch
sich unter anderem der Synthesegas aufweisende Strom aus der Oxidationseinheit 2 kontrollieren
lässt. Insbesondere wird somit der pneumatische Transport
bei verschiedenen Betriebszuständen sichergestellt.
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Vor
und/oder an dem Materialausgang der Oxidationseinheit 2 ist
vorzugsweise eine Düseneinheit 8 zum Einbringen
von Vergasungsmittel in den Vollstrom angeordnet. Dadurch können
im Vollstrom noch enthaltene flüssige und/oder feste Stoffe
oxidiert werden. Vorzugsweise entspricht die mindestens eine Düseneinheit 8 im
Wesentlichen der oben beschriebenen Düseneinheit 7.
Vorzugsweise erlaubt die Düseneinheit 8 alternativ
oder zusätzlich eine Steuerung und/oder Regelung des Vollstroms. Vorzugsweise
erlaubt sie insbesondere eine Leistungsregelung bei verschiedenen
Betriebszuständen und/oder eine Stabilisierung des Betts
in der Reduktionseinheit 3.
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Der
Materialausgang der Oxidationseinheit 2 ist vorzugsweise
mit einer Reduktionseinheit 3 verbunden, so dass aus der
Oxidationseinheit 2 austretendes Material in die Reduktionseinheit 3 gelangt. Vorzugsweise
ist die Reduktionseinheit 3 stehend angeordnet, so dass
der Materialfluss durch die Reduktionseinheit 3 im Wesentlichen
senkrecht und vorzugsweise entgegen der Gravitationskraft erfolgt. Der
Materialfluss wird dabei durch die Oxidationseinheit 2 bzw.
durch die Düseneinheiten 7, 8 so gesteuert,
dass sich in der Reduktionseinheit 3 eine schwebende Reduktionszone,
insbesondere ein in Schwebe gehaltenes Bett, insbesondere ohne zusätzliches Bettmaterial,
ausbildet. Dies wird vorzugsweise durch die Geometrie der Reduktionseinheit
und insbesondere ihre trompetenförmige Aufweitung in Strömungsrichtung
unterstützt oder bedingt. In der Reduktionszone werden
im Wesentlichen verbleibende Kohlenstoffe mit dem aus der Oxidationseinheit 2 austretendem
teerarmen Gas reduziert.
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Durch
die stehende Anordnung der Reduktionseinheit 3, werden
nicht gasförmige Bestandteile im Materialstrom durch die
Schwerkraft zurückgehalten, vorzugsweise bis sie zu Gas
reduziert wurden.
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Am
Ausgang der Reduktionseinheit 3 weist der Materialstrom
hauptsächlich Synthesegas auf, das nach optionalen Schritten
wie Abkühlung, beispielsweise in einem Wärmetauscher,
und/oder Reinigung, einem Gasspeicher bzw. einer Verbrennungsmaschine und/oder
einer anderen Verwertungsform zugeführt werden kann. Die
durch die Abkühlung gewonnene Energie wird besonders bevorzugt
innerhalb des Systems rückgeführt. So kann beispielsweise
eine Trocknung von zu vergasendem Material bzw. Biomasse ohne externe
Energiezufuhr bewerkstelligt werden.
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2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform mit einer Feststoffrückführung 9.
Die Feststoffrückführung 9 ist zwischen
Ausgang der Reduktionseinheit 3 und der Oxidationseinheit 2 angeordnet.
So können im Materialstrom enthaltende feste und/oder flüssige
Bestandteile in die Oxidationseinheit 2 zurückgeführt
werden. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass
im Wesentlichen keine festen und/oder flüssigen Bestandteile
im Synthesegas verbleiben. Dadurch können die rückgeführten
Bestandteile zumindest teilweise in Gas umgewandelt werden, was
eine höhere Effizienz zur Folge hat. Weiter wird durch
diese Maßnahme die Reinheit bzw. Qualität des
Synthesegases nach der Feststoffrückführungseinheit 9 verbessert.
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Das
rückgeführte Material wird vorzugsweise an einer
Position in die Oxidationseinheit 2 eingebracht, die in
Vollstromrichtung hinter dem Materialeingang liegt, an dem Material
aus der Pyrolyseeinheit 1 in die Oxidationseinheit 2 eingebracht
wird. Vorzugsweise wird das rückgeführte Material
in Strömungsrichtung eingebracht, vorzugsweise in einem spitzen
Winkel. Die Einbringung erfolgt alternativ vorzugsweise auch in
dem Bereich zwischen Pyrolyseeinheit 1 und Oxidationseinheit 2,
bspw. in das in 2 dargestellte Fallrohr nach
zwischen den Einheiten 1 und 2.
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3 zeigt
einen erfindungsgemäßen Vollstromvergaser mit
einer bevorzugten Reduktionseinheit 3, die eine Rückhalteeinheit 10 aufweist.
Die Rückhalteeinheit 10 dient insbesondere dazu,
feste und flüssige Bestandteile des Materialstroms zurückzuhalten.
Die Rückhalteeinheit 10 ist vorzugsweise so konstruiert,
dass sie eine stabilisierende Wirkung auf die Reduktionszone bzw.
das in Schwebe gehaltene Bett in der Reduktionseinheit 3 hat.
Somit wird die Reduktionszone in ihren Eigenschaften optimiert und
folglich die Reduktion der aus der Oxidationseinheit 2 in
die Reduktionseinheit 3 transportierten Materialien verbessert.
Vorzugsweise ist die Rückhalteeinheit 10 justierbar,
so dass der Strömungswiderstand des Materialflusses durch
die Reduktionseinheit 3 verändert bzw. optimierbar
ist.
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4 zeigt
einen erfindungsgemäßen Vollstromvergaser mit
einer bevorzugten Oxidationseinheit 2, die eine Stabilisierungseinheit 11 aufweist.
Die Stabilisierungseinheit 11 ist ausgebildet, insbesondere
Verwirbelungen des Vollstroms beim Transport durch die Oxidationseinheit 2 zu
vermeiden. Die Stabilisierungseinheit 11 wird vorzugsweise
zumindest in Kurven bzw. Biegungen der Oxidationseinheit angeordnet.
Ein Teil der in 3 gezeigten Stabilisierungseinheit
erstreckt sich vorzugsweise in die Reduktionseinheit 3.
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5 zeigt
ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Vergasers.
Vorzugsweise wird ein Rohstoff bzw. Brennstoff in einem Trocknungsschritt 17 von
eventuell vorhandener Feuchtigkeit befreit. Vorzugsweise wird ein übermäßiger
Wassergehalt entfernt, der sich im Pyrolyseschritt aufgrund der
Verdampfungsenergie als energetisch problematisch erweisen kann.
Insbesondere ist die Pyrolyse bereits endotherm, so dass bei zuviel
Wassergehalt noch mehr Energie der Pyrolyse zugeführt werden,
was zu Effizienzverlusten führt. Die Energie dafür
wird vorzugsweise, wie weiter oben bereits beschrieben, von späteren
Prozessschritten rückgeführt.
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Der
Brennstoff wird nach der Trocknung der Pyrolyseeinheit 1 zugeführt.
Aus dem Brennstoff entstehen in der Pyrolyseeinheit 1 durch
das Einbringen von Wärme, beispielsweise von heißen
Abgasen aus einem Brenner oder Motor, insbesondere die Bestandteile
Gas, Kohle und Teer, die zusammen den Vollstrom bilden. Weiterhin
vorzugsweise erfolgt die Vergasung autotherm, also ohne äußere
Energiezufuhr. Anstatt der Eindüsung von heißen
Gasen erfolgt bei der autothermen Pyrolyse eine Einbringung einer definierten
Menge von Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft bzw. Sauerstoff. Bei
einem gewissen Anteil des zu pyrolysierenden Gutes erfolgt somit
eine Verbrennungsreaktion aus welcher die nötige Wärme
für die Pyrolyse des Restmaterials bezogen wird.
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Nach
der Pyrolyse wird der Vollstrom der Oxidationseinheit 2 zugeführt.
Durch das Einbringen eines Oxidationsmittels bzw. Vergasungsmittels
werden Bestandteile des Vollstroms, insbesondere das in der Pyrolyse
erzeugte teerhaltige Gas und der verbleibende Kohlenstoff, zumindest
partiell oxidiert. Durch das Einbringen des Oxidationsmittels und/oder
durch die bei der Oxidation entstehende Volumenexpansion zumindest
eines Teils des Vollstroms, wird der Vollstrom von der Materialeingangsöffnung
zur Materialausgangsöffnung der Oxidationseinheit 1 transportiert.
Vorzugsweise werden an mindestens zwei verschiedenen Positionen 2, 12 der Oxidationseinheit 2 Oxidationsmittel
in den Vollstrom eingebracht, i. a. wie bereits beschrieben. Dadurch kann
der Transport, insbesondere die Geschwindigkeit des Vollstroms,
die Leistung und/oder das Bett gesteuert werden. Vorzugsweise erfolgt
eine Regelung durch eine Volumenstromerfassung, bspw. durch das
Vorsehen von entsprechenden Sensoren, bspw. im Vollstrom, vorzugsweise
am Materialausgang der Oxidationseinheit und/oder in der Reduktionseinheit,
vorzugsweise am Ausgang der Reduktionseinheit, und einer entsprechenden
Ansteuerung des Einbringens des Oxidationsmittels auf Basis der von
dem/den Sensor(en) aufgenommenen Information.
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Der
Vollstrom wird von der Oxidationseinheit 2 in die Reduktionseinheit 3 transportiert,
wobei der Vollstrom nach der Oxidation vorzugsweise im Wesentlichen
keine Teere aufweist. Die Reduktionseinheit 3 reduziert
im Wesentlichen teerarmes Gas mit Kohlenstoff.
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Das
heiße, die Reduktionseinheit verlassende, Gas, das Temperaturen
von ca. 500°C bis 900°C hat, wird vorzugsweise
in einem Wärmetauscher 13 abgekühlt,
wobei die Wärme vorzugsweise bei der Trocknung des Brennstoffs
im Wärmetauscher 17 verwendet wird.
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In
einer folgenden Gasreinigung 14 werden im Gas verbliebene
Verunreinigungen, wie beispielsweise Staub, entfernt. Nach der optionalen
Reinigung wird das Synthesegas einem Gasspeicher 15 bzw.
einer Verbrennungsmaschine und/oder anderen Verwertungseinheit 16 zugeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4413923
A [0007]
- - EP 1203802 A [0008]
- - DE 202004011213 U [0008]
- - DE 10030778 A [0008]
- - WO 9426849 [0008]
- - WO 2005047436 A [0009]
- - DE 3346105 A [0009]
- - DE 3126049 A [0010]
- - WO 0250214 A [0011]
- - JP 2003253274 A [0011]
- - WO 9921940 A [0011]
- - WO 0168789 A [0011]
- - WO 0006671 A [0011]
- - DE 19846805 A [0012]
- - WO 0114502 A [0012]
- - WO 0183645 A [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Pressure
characterization of multi-staged fixed-bed gasification plants"
von Huber M., Kreutner G., Berlin 2007 [0012]