DE102007053769B4

DE102007053769B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches

Info

Publication number: DE102007053769B4
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: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2027-11-13
Also published as: DE102007053769A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches (BG) aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen (Cst: — 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); — Kühlung des Synthesegases (C2); — Einleiten eines bei der Kühlung des Synthesegases (C2) anfallenden Kondensats als vierten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff (C4) in einen Perkolatkreislauf (PK) einer Biogasanlage (BA); — Ungefilterte Eintragung des in dem Vergaser (V) erzeugten und anschließend gekühlten Synthesegases (C2), eines dritten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes (C3) und über den Perkolatkreislauf (PK) des vierten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes (C4) in die Biogasanlage (BA); und — Erzeugung des brennbaren 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 2.
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.
Die DE 20 2004 014 519 U1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches. Dabei werden die von einem Häcksler erzeugten Hackschnitzel als erster kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff einem Vergaser zugeführt. Dieser erzeugt bei einer Temperatur von mindestens 800°C bis maximal 1000°C nach dem Prinzip der thermischen Vergasung Holzgas als Synthesegas, das einem Biogasfermenter zugeführt wird. Das von diesem erzeugte Biogas wird ungefiltert einem Blockheizkraftwerk zugeführt. Dabei wird das Holzgas vor der Eintragung in den Biogasfermenter in einem Wassergaskühler gekühlt. Das in dem Wassergaskühler abgeschiedene Kondensat wird dem Biogasfermenter zugeführt.
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.
Ausgehend von der DE 20 2004 014 519 U1 ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein 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 2 (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 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. Daher 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, sondern in einen Fermentierungsprozess integriert (einem Fermenter zugeführt). Außerdem wird der Biogasanlage ein dritter kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff zugeführt, in der durch Fermentierung das brennbare Gasgemisch erzeugt 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.
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 wird dabei einem Perkolatkreislauf zugeführt. Hierdurch 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. Wie bereits oben erwähnt, wird das der Biogasanlage zugeführte Synthesegas gekühlt, was einfach und kostengünstig dadurch realisiert werden kann, dass ein Kühler in die Verbindungsleitung zwischen dem Vergaser und der Biogasanlage integriert ist, und das in dem Kühler anfallende Kondensat wird der Biogasanlage zugeführt.
Um nicht nur Flüssigkeiten, sondern auch Feststoffe umsetzen zu können und dadurch eine größere Flexibilität zu gewinnen, ist es vorteilhaft, wenn die Biogasanlage gemäß Anspruch 3 nach dem Prinzip der Feststoffmethanisierung arbeitet.
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 gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches (Biogas) BG 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 in einem verfahrenstechnischen Zwischenschritt das vergleichsweise heiße Synthesegas C2 (ca. 100°C), bevor es in die Biogasanlage BA eingebracht bzw. eingeleitet wird, gekühlt. Durch diese Kühlung wird das Synthesegas C2 an die niedrigen Temperaturverhältnisse im Bereich zwischen 30°C und 70°C angepasst. Anschließend wird das Synthesegas einer Biogasanlage BA mit zumindest einem Fermenter (nicht gezeigt) zugeführt, in der es 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. Wie in 1 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. Dabei wird das Kondensat 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.
2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des unter Bezugnahme auf die 1 beschriebenen Verfahrens. 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 wird. Außerdem umfasst die den Vergaser V und die Biogasanlage BA umfassende Anlage entsprechend dem in 1 dargestellten Verfahrensschritt einen Kühler GK, der in die Verbindungsleitung 12 geschaltet ist, um das Synthesegas C2 zu kühlen, bevor es in die Biogasanlage BA eingeleitet wird, wie es in 2 gezeigt ist. Darüber hinaus ist der Kühler GK über eine Kondensatleitung 18 mit der Biogasanlage BA verbunden, die dazu dient, dieser das bei der Kühlung in dem Kühler GK anfallende Kondensat als vierten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff C4 dem Fermentierungsprozess zuzuführen. Dabei ist die Kondensatleitung 18 erfindungsgemäß mit einem Perkolatkreislauf 20 der Biogasanlage BA verbunden ist, wie es in 2 gezeigt ist. Mit der Biogasanlage BA verbunden ist außer der Verbindungsleitung 12 und der Kondensatleitung 18 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).

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); – Kühlung des Synthesegases (C2); – Einleiten eines bei der Kühlung des Synthesegases (C2) anfallenden Kondensats als vierten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff (C4) in einen Perkolatkreislauf (PK) einer Biogasanlage (BA); – Ungefilterte Eintragung des in dem Vergaser (V) erzeugten und anschließend gekühlten Synthesegases (C2), eines dritten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes (C3) und über den Perkolatkreislauf (PK) des vierten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes (C4) in die Biogasanlage (BA); und – Erzeugung des brennbaren Gasgemisches (BG) in der Biogasanlage (BA) aus den der Biogasanlage (BA) zugeführten zweiten und dritten Einsatzstoffen (C2, C3).
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 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 brennbaren Gasgemisches (BG) aus festen oder flüssigen kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen mit wenigstens einem Fermentbehälter; – einer Verbindungsleitung (12) zwischen dem Vergaser (V) und der Biogasanlage (BA) zum ungefilterten Eintragen des Synthesegases (C2) in den wenigstens einen Fermentbehälter; und – einen Gaskühler (GK), der in der Verbindungsleitung (12) zwischen dem Vergaser (V) und der Biogasanlage (BA) angeordnet ist und über eine Kondensatleitung (18) mit der Biogasanlage (BA) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasanlage (BA) nach dem Prinzip der Feststoffmethanisierung arbeitet.