DE102007053769A1

DE102007053769A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches

Info

Publication number: DE102007053769A1
Application number: DE102007053769A
Authority: DE
Inventors: Peter Lutz
Original assignee: Bekon Energy Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Bekon Energy Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-11-13
Also published as: DE102007053769B4

Abstract

Ein Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen umfasst die Schritte: Eintragung eines ersten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes (C1) in einen Vergaser (V), Erzeugung eines Synthesegases als einem zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff (C2) nach dem Prinzip der Holz/Kohlevergasung in dem Vergaser (V), ungefilterte Eintragung des in dem Vergaser (V) erzeugten Synthesegases (C2) und eines dritten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes (C3) in eine Biogasanlage (BA), Erzeugung des brennbares Gasgemisches (BG) in der Biogasanlage (BA) aus den der Biogasanlage (BA) zugeführten zweiten und dritten Einsatzstoffen (C2, C3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches gemäß Anspruch 1, sowie eine Vorrichtung, auf die das Verfahren angewendet wird, gemäß Anspruch 5.
Die thermische Vergasung und speziell die Holzvergasung ist eine verfahrenstechnisch genutzte chemische Reaktion, die es ermöglicht, durch Pyrolyse, d. h. der thermischen Spaltung chemischer Verbindungen, oder Teilverbrennung unter Luftmangel aus Holz das brennbare Holzgas zu gewinnen. Dieses Gas wurde und wird unter anderem dazu benutzt, Kraftfahrzeuge zu betreiben, oder Verbrennungsmotoren, die mit einem Generator gekoppelt sind, der wiederum Strom erzeugt. Bei der Vergasung wird dem Brennstoff eine unterstöchiometrische Menge an Oxidationsmittel (meistens Luft, seltener Wasserdampf, Methan und Luftstickstoff) zugeführt. Dabei verbrennt ein Teil des Holzes. Die so erzeugte Wärme wird für die thermische Zersetzung der restlichen Holzmenge verwendet. Das bei der Vergasung erzeugte Produktgas liefert im Wesentlichen ein Gasgemisch aus Wasserstoff (H₂), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Wasserdampf, Methan (CH₄) und Luftstickstoff (N₂). Auch aus Kohle lässt sich mittels thermischer Vergasung ein brennbares Gas gewinnen.
Ein Nachteil ergibt sich daraus, dass als Folge einer unvollständigen Vergasung das Produktgas noch mehr oder weniger große Mengen unerwünschter Teerverbindungen (höher siedende Kohlenwasserstoffe) sowie Phenole und Kohlenstoff enthält.
Bei der Verwendung in Verbindung mit einem Gas-Otto-Motor beispielsweise beeinträchtigen die Teere durch Kondensation und insbesondere durch Resublimation die Funktionsfähigkeit des Gaszuführsystems (Mischer, Ventile, Messfühler). Die Verbrennung des stark CO-haltigen Holzgases überschreitet auch leicht die in der TA Luft festgelegten Grenzwerte von Motoranlagen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das/die das bei der thermischen Vergasung entstehende brennbare Gas nutzt, wobei die oben genannten Nachteile der Gasverunreinigung beseitigt sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 (Verfahren) und des Anspruchs 5 (Vorrichtung) gelöst.
Erfindungsgemäß wird dabei ein Vergaser, der aus einem ersten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff einen zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff (nachfolgend auch als Synthesegas und im speziellen Fall von Holz als erstem Einsatzstoff als „Holzgas" bezeichnet) erzeugt, mit einer Biogasanlage gekoppelt, die wiederum aus dem zweiten Einsatzstoff und einem dritten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff, welcher ebenfalls der Biogasanlage zugeführt wird, durch Fermentierung das brennbare Gasgemisch erzeugt. Das heißt, erfindungsgemäß wird das hierin als Synthesegas bezeichnete Gas, das bei der thermischen Vergasung erzeugt wird, nicht wie herkömmlich als dasjenige Gas verwendet, das als Brennstoff einem Motor zugeführt wird – wobei die Auswirkungen der genannten Verunreinigungen herkömmlich motorseitig konstruktiv zu bewältigen sind. Vielmehr wird das Gas biologisch gereinigt, indem es in einen Fermentierungsprozess integriert wird (einem Fermenter zugeführt wird).
Wie es oben erwähnt ist, sind die Hauptbestandteile des Holzgases Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Methan. Diese Gase treten auch bei der Fermentierung von Biomasse in einem Bioreaktor (Fermenter) auf, so dass sich die Einleitung des aus dem Vergaser stammenden Synthesegases in die Biogasanlage nicht nur nicht störend auf die dort ablaufenden Prozesse auswirkt, sondern bei geeigneter Prozessführung diese sogar günstig beeinflussen kann.
Die Geschwindigkeit der in der Biogasanlage geführten chemisch-mikrobiologischen Prozesse ist in der Regel temperaturabhängig. Je nach Einsatzstoffen und Bakterienkultur ist daher eine Kühlung des von dem Vergaser in die Biogasanlage eingeleiteten Synthesegases angezeigt, um auf diese Weise den Prozess zu optimieren oder gar erst zu ermöglichen.
Nicht nur die Temperatur, sondern auch der Feuchtegrad der in der Biogasanlage zu fermentierenden Biomasse ist ein entscheidender Parameter, der Einfluss auf den in der Biogasanlage stattfindenden Umsetzungsprozess hat. Aus diesem Grund und auch im Hinblick auf eine ökologisch sinnvolle Kreislaufführung, ist es vorteilhaft, das bei der Kühlung des Synthesegases anfallende Kondensat der Biogasanlage zuzuführen. Das Kondensat kann dabei entweder direkt in dem Fermenter, oder sofern ein Perkolatkreislauf vorgesehen ist, diesem zugeführt werden. Im letzteren Fall wird eine Vermischung der beiden Substanzen Perkolat und Kondensat vor der Zuleitung in den Fermenter erreicht, die sich günstig auf die darin stattfindenden Prozesse auswirkt, wobei sich „günstig" auf die Umsatzgeschwindigkeit und/oder auf die Vollständigkeit der Umsetzung bezieht. Die Perkolation, d. h. das Durchsickern von Perkolat-Flüssigkeit, einer mit Bakterien angereicherten Flüssigkeit, ist nicht nur zu Beginn des Fermentierungsprozesses zur „Beimpfung" der Einsatzstoffe vorteilhaft, sondern auch während des schon ablaufenden Prozesses.
Erfindungsgemäß besteht eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen aus der Kopplung eines Vergasers zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen mit Hilfe einer geeigneten Verbindungsleitung mit einer Biogasanlage, der das in dem Vergaser erzeugte Synthesegas (Holzgas) zugeführt wird.
Um nicht nur Flüssigkeiten, sondern auch Feststoffe umsetzen zu können und dadurch eine größere Flexibilität zu gewinnen, ist es vorteilhaft, wenn die Biogasanlage nach dem Prinzip der Feststoffmethanisierung arbeitet.
Gemäß einem schon oben erwähnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, das der Biogasanlage zugeführte Synthesegas zu kühlen, was einfach und kostengünstig dadurch realisiert werden kann, dass ein Kühler in die Verbindungsleitung zwischen dem Vergaser und der Biogasanlage integriert ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Modifikation des in 1 dargestellten Verfahrens;
3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer Modifikation des in 3 dargestellten Verfahrens;
5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Gasgemisches nach den in den 1 bis 4 dargestellten Verfahren gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung einer Modifikation der in 5 gezeigten Vorrichtung; und
7 eine schematische Darstellung einer weiteren Modifikation der in 5 gezeigten Vorrichtung.
1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches (Biogas) BG gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Demzufolge wird zunächst ein erster kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff C1 in einen Vergaser V geladen bzw. eingebracht, der zum Beispiel ein Feststoffvergaser sein kann, und dort nach dem Prinzip der thermischen Vergasung anaerob vergast. Der erzeugte, hierin als Synthesegas bezeichnete zweite kohlenstoffhaltige Einsatzstoff C2 wird aus dem Vergaser V ausgeleitet und einer Biogasanlage BA mit zumindest einem Fermenter (nicht gezeigt) zugeführt, in der er zusammen mit einem in die Biogasanlage BA eingebrachten dritten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff C3 in einem Fermentierungsprozess zu dem brennbaren Gasgemisch BG umgewandelt wird. Hierbei ist zu beachten, dass das Synthesegas (der zweite kohlenstoffhaltige) C2 der Biogasanlage BA ungefiltert zugeführt wird.
2 zeigt schematisch eine Modifikation des in 1 gezeigten Verfahrens, wobei in einem verfahrenstechnischen Zwischenschritt das vergleichsweise heiße Synthesegas C2 (ca. 100°C), bevor es in die Biogasanlage BA eingebracht bzw. eingeleitet wird, gekühlt wird. Durch diese Kühlung wird das Synthesegas C2 an die niedrigen Temperaturverhältnisse im Bereich zwischen 30°C und 70°C angepasst.
3 zeigt schematisch ein Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches (Biogas) BG gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 zu sehen ist, wird zusätzlich zu dem zweiten und dritten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff C2 bzw. C3 ein bei der Kühlung des Synthesegases C2 auftretendes Kondensat als vierter kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff C4 dem in der Biogasanlage BA stattfindenden Fermentierungsprozess zugeführt.
Wie in 4 zu sehen ist, welche eine Modifikation des in 3 gezeigten Verfahrens darstellt, kann der vierte kohlenstoffhaltige Einsatzstoff C4 statt direkt in die Biogasanlage BA eingebracht zu werden, einem rückgeführten Perkolatstrom, das heißt der bei der Gärung bzw. Fermentierung entstandenen Flüssigkeit (Perkolat) beigemengt und mit diesem bzw. dieser dem Fermenter zugeführt werden.
5 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschriebenen Verfahrens als weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Vergaser V, zum Beispiel ein Feststoffvergaser, umfasst eine Zuleitung 10, durch die diesem ein erster kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff C1 zugeführt werden kann. Der Vergaser V bildet einen luftdicht verschlossenen Raum, in dem der erste kohlenstoffhaltige Einsatzstoff C1 nach dem Prinzip der thermischen Vergasung und insbesondere nach dem Prinzip der Holz- oder Kohlevergasung vergast wird. Der Vergaser V ist ferner über eine Verbindungsleitung 12 mit einem Fermenter einer Biogasanlage BA gekoppelt, durch die der hierin als Synthesegas bezeichnete zweite Einsatzstoff C2 aus dem Vergaser ab- und dem Fermenter zugeführt. Mit der Biogasanlage BA verbunden sind außer der Verbindungsleitung 12 eine Zuleitung 14 zur Zuführung eines dritten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes C3 und eine Abführleitung 16 zum Abführen des erzeugten brennbaren Gases BG in einer dazu geeigneten Anlage (nicht gezeigt). Darüber hinaus kann die den Vergaser V und die Biogasanlage BA umfassende Anlage entsprechend dem in 2 dargestellten Verfahrensschritt einen Kühler GK umfassen, der in die Verbindungsleitung 12 geschaltet ist, um das Synthesegas C2 zu kühlen, bevor es in die Biogasanlage BA eingeleitet wird, wie es in 6 gezeigt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach 7 ist der Kühler GK über eine Leitung mit der Biogasanlage BA verbunden, die dazu dient, dieser das bei der Kühlung in dem Kühler GK anfallende Kondensat dem Fermentierungsprozess zuzuführen. Die Leitung kann eine Leitung 18 sein, die den Kühler GK im Wesentlichen direkt mit dem Fermenter verbindet, oder eine Leitung 18', die mit einem Perkolatkreislauf 20 der Biogasanlage BA verbunden ist, wie es in 7 gezeigt ist.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches (BG) aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen (C1, C2, C3), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Eintragung eines ersten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes (C1) in einen Vergaser (V); – Erzeugung eines Synthesegases als einem zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff (C2) nach dem Prinzip der thermischen Vergasung in dem Vergaser (V); – Ungefilterte Eintragung des in dem Vergaser (V) erzeugten Synthesegases (C2) und eines dritten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes (C3) in eine Biogasanlage (BA); – Erzeugung des brennbaren Gasgemisches (BG) in der Biogasanlage (BA) aus den der Biogasanlage (BA) zugeführten zweiten und dritten Einsatzstoffen (C2, C3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas (C2) vor der Eintragung in die Biogasanlage (BA) gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein bei der Kühlung des Synthesegases (C2) anfallendes Kondensat als vierter kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff (C4) der Biogasanlage (BA) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasanlage (BA) einen Perkolatkreislauf (PK) umfasst und ein bei der Kühlung des Synthesegases (C2) anfallendes Kondensat als ein vierter kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff (C4) dem Perkolatkreislauf (PK) der Biogasanlage (BA) zugeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung umfasst: – einen Vergaser (V) zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen (C1) nach dem Prinzip der thermischen Vergasung zur Erzeugung eines Synthesegases (C2); – eine Biogasanlage (BA) zur Erzeugung des bennbaren Gasgemisches (BG) aus festen oder flüssigen kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen mit wenigstens einem Fermentbehälter; und – einer Verbindungsleitung (12) zwischen dem Vergaser (V) und der Biogasanlage (BA) zum ungefilterten Eintragen des Synthesegases (C2) in den wenigstens einen Fermentbehälter.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasanlage (BA) nach dem Prinzip der Feststoffmethanisierung arbeitet.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sie einen Gaskühler (GK) umfasst, der in der Verbindungsleitung (VL) zwischen dem Vergaser (V) und der Biogasanlage (BA) angeordnet ist.