DE102010028476B4

DE102010028476B4 - Heißgasfilter und Verfahren unter Verwendung des Heißgasfilters

Info

Publication number: DE102010028476B4
Application number: DE102010028476.9A
Authority: DE
Inventors: Georg Gallmetzer; Matthias Hofmeister; Stefan Aniol; Andreas Schweiger; Thomas Hochleitner
Original assignee: Highterm Research GmbH
Current assignee: Highterm Research GmbH
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2010-05-03
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2030-05-04
Also published as: DE102010028476A1

Abstract

Heißgasfilter (10) zur zweistufigen Absonderung und Umwandlung von in einem Eduktgas enthaltenen organischen Stoffen zur Erzeugung eines Produktgases, wobei das Heißgasfilter (10) umfasst:
– einen Fliehkraftabscheider (100), der ein Gehäuse (102) mit einem Einlaufzylinder (104), in dem ein Tauchrohr (114) angeordnet ist, umfasst;
– ein Filterelement (200), das einen Anströmraum (206) und einen Produktgasraum (204), die in einem von dem Tauchrohr (114) begrenzten Volumen angeordnet sind, miteinander verbindet; und
– eine Heizvorrichtung (300) zum Heizen des Filterelements (200), wobei
– das Filterelement (200) ein Katalysatormaterial zur katalytischen Reformierung von wenigstens einem Teil der organischen Stoffe enthält; und
– das Tauchrohr (114) als Wärmeschutzrohr zum Schutz des Gehäuses (102) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heißgasfilter und ein Verfahren zur zweistufigen Absonderung und Umwandlung von in dem Eduktgas enthaltenen organischen und eventuell enthaltenen anorganischen Stoffen zur Erzeugung eines Produktgases.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit die Reinigung eines Produktgases, das insbesondere von einer verfahrenstechnisch vorgeschalteten Vergasung stammt (die selbst nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist). Das Produktgas dieser vorgeschalteten Stufe eines größeren Gesamtprozesses, der die Prozesse der vorliegenden Erfindung enthält, ist das oben genannte Eduktgas der vorliegenden Erfindung, da sich die Begriffe Eduktgas und Produktgas hier auf die jeweilige Stufe des Gesamtprozesses beziehen.
Eine Vergasung ist neben einer Verbrennung und einer Pyrolyse die dritte grundsätzliche Möglichkeit der thermischen Nutzung von Biomasse. Unter einer Vergasung versteht man einen physikalisch-chemischen Vorgang, bei dem ein Kohlenstoffträger mit Hilfe eines sauerstoffhaltigen Vergasungsmittels in Wärme und ein brennbares Gas umgewandelt wird, das hier als Produktgas (der Vergasungsstufe), an anderer Stelle auch als Synthesegas bezeichnet wird. Die Umwandlung geschieht durch Erhitzung, so dass man bei den dabei stattfindenden Reaktionen auch von „wärmeinduzierten Vergasungsreaktionen” spricht. Das Luftverhältnis λ – welches als das Verhältnis der tatsächlich zur Verfügung stehenden Luftmenge (genauer Sauerstoffmenge) zu der zu einer stöchiometrischen, also vollständigen Umwandlung notwendigen Luftmenge definiert ist – ist 0 < λ < 1 (Verbrennung: λ ≥ 1; Pyrolyse: λ = 0). Die einzelnen Vergasungsreaktionen sind teils exotherm, teils endotherm. Eine Vergasung wird als insgesamt „allotherm” bezeichnet, wenn die dafür notwendige Wärme nicht wie bei einer „autothermen” Vergasung durch in einem Vergaser stattfindende (partielle) Oxidationen – also durch die exothermen Vergasungsreaktionen – bereitgestellt wird, sondern dem Vergaser von außen zugeführt wird, wie es z. B. im so genannten Heatpipe-Reformer, wie er zum Beispiel aus der WO 00/77128 A1 bekannt ist, der Fall ist. Bei einer allothermen Vergasung entfällt in diesem Sinne in der für fast alle Vergasungsprozesse gültigen Abfolge Trocknung → Pyrolyse → Oxidation → Reduktion (der „eigentliche” Vergasungsschritt) der vorletzte Schritt.
Das Produktgas eines Vergasungsprozesses enthält jedoch Stoffe, insbesondere Stäube und Teere, deren Zusammensetzung und Menge von der Prozessführung und den beteiligten Stoffen abhängen, wobei „Teere” hier als Oberbegriff für verschiedene Kohlenwasserstoffe verwendet wird, deren Anzahl an Kohlenstoffatomen wenigstens 6 ist, und die bei der Vergasung in mehreren Schritten entstehen: In einem ersten Schritt, der Entgasung des Brennstoffs (Biomasse), entstehen so genannte Primärteere, die dann in weiteren Schritten in Sekundärteere, Tertiärteere etc. umgewandelt werden, die schließlich den Vergaser verlassen oder weiter gespalten (gecrackt) werden. Dies kann vereinfacht geschrieben werden als:

(1) Brennstoff → H₂O + CO + CO₂ + CH₄ + C_xH_y + Primärteere + C
(2) Primärteere → Sekundärteere + CO₂ + CO + H₂ + CH₄ + C_xH_y
(3) Sekundärteere → Tertiärteere .....

Bei einer Wirbelschichtvergasung wie sie z. B. im Heatpipe-Reformer stattfindet, ist verfahrensbedingt das Produktgas stark staubbelasted, und bei den Teeren handelt es sich in erster Linie um die erwähnten Primär- und Sekundärteere. Letztere entstehen bei der Pyrolyse von Holz ab einer Temperatur von ca. 200°C. Die Holzbausteine Zellulose, ein Hauptbestandteil der Zellwände, sowie Hemizellulose, ein nicht exakt definierbares Gemisch aus Polysacchariden, bilden sauerstoffreiche und reaktive Teere. Lignin, ein ebenfalls in den Zellwänden von Pflanzen vorkommendes Makromolekül, wird in Monoaromate umgesetzt.
Die oben genannten Gase CO, CO₂, CH₄, etc. sind Produkte, die aus zwei Gruppen von Hauptreaktionen, in die sich die Vergasung einteilen lässt, hervorgehen: heterogene Reaktionen (Brennstoff + Vergasungsmittel) und Gasphasenreaktionen (Produkte der Vergasung + Vergasungsmittel oder anderen Stoffen). Die wichtigsten heterogenen Reaktionen sind:

Kohlenstoffoxidation C + CO₂ → CO₂

Teiloxidation des C C + ½O₂ → CO

Methanierung C + 2H₂ → CH₄

Boudouard-Reaktion C + CO₂ ↔ 2CO

Heterog. Wassergasreaktion C + H₂O → CO + H₂

Die wichtigsten Gasphasenreaktionen sind:

H2-Verbrennung	H₂ + ½O₂ → H₂O
CO-Verbrennung	CO + ½O₂ → CO₂
CH4-Verbrennung (teilw.)	2CH₄ + O₂ → 2CO + 2H₂
Homog. Wassergasreaktion (Shift-Reaktion)	CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂
Methanbildung	CO + 3H₂ → CH₄ + H₂O
Dry-Reformierung	CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂

Die DE 34 22 592 A1 , die als nächstliegender Stand der Technik erachtet wird, offenbart ein Gasfilter zur zweistufigen Absonderung von in einem Gas enthaltenen Feststoffen zur Erzeugung eines Produktgases, wobei das Gasfilter umfasst: (a) einen Fliehkraftabscheider, der ein Gehäuse mit einem Einlaufzylinder, in dem ein Tauchrohr angeordnet ist, umfasst, und (b) ein Filterelement, das einen Anströmraum und einen Produktgasraum, die in einem von dem Tauchrohr begrenzten Volumen angeordnet sind, miteinander verbindet.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei ferner auf folgende Druckschriften verwiesen. Die DE 10 2004 009 288 A1 offenbart eine „Abgasnachbehandlung bei der Vakuumaufkohlung von Stahl”, wobei Nickel oder eine Nickellegierung als Katalysatormaterial zur katalytischen Reformierung eingesetzt wird. Die WO 2008/135226 A2 offenbart eine Vergasungsvorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus vergasbaren Rohstoffen („Gasification Apparatus and Method for Generating Syngas from Gasifiable Feedstock Material”). Ferner offenbart die DD 33 542 A3 eine „Brennkammer zur Erzeugung von Gas zum Antreiben von Gasturbinen.
Es besteht nun das technische Problem, dass die Teere nach Unterschreiten ihres jeweiligen Taupunktes, d. h. ab ca. 300°C als klebrige Ablagerungen ausfallen. Sie beeinträchtigen damit z. B. den reibungslosen Betrieb von mit dem Produktgas betriebenen Motoren. Ferner besitzt das Produktgas aufgrund der noch darin enthaltenen Stäube noch nicht die für diesen Zweck erforderliche Qualität.
Eine aus den obigen Erläuterungen abgeleitete Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Reinigung eines aus einer Vergasung von Biomasse stammenden Produktgases bereitzustellen.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 12 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) umfasst ein Heißgasfilter zur Reinigung eines Eduktgases durch zweistufige Absonderung und Umwandlung von in dem Eduktgas enthaltenen organischen Stoffen zur Erzeugung eines Produktgases einen Fliehkraftabscheider, der ein Gehäuse mit einem Einlaufzylinder, in dem ein Tauchrohr angeordnet ist, ein Filterelement, das einen Anströmraum und einen Produktgasraum, die in einem von dem Tauchrohr begrenzten Volumen angeordnet sind, miteinander verbindet, und eine Heizvorrichtung zum Heizen des Filterelements, wobei das Filterelement ein Katalysatormaterial zur katalytischen Reformierung von wenigstens einem Teil der organischen Stoffe enthält; und das Tauchrohr als Wärmeschutzrohr zum Schutz des Gehäuses ausgebildet ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das Filterelement ein Katalysatormaterial zur katalytischen Reformierung von wenigstens einem Teil der organischen Stoffe – im Idealfall ist die Reformierungsrate natürlich 100%. Die bekannten Eigenschaften eines Katalysators – Herabsetzung der Aktivierungsenergie und Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, wobei er selbst unverändert aus der Reaktion hervorgeht – wirken sich erfindungsgemäß dahingehend vorteilhaft aus, dass die Mindesttemperatur des Filters, die zur Umwandlung der organischen Stoffe erforderlich ist, herabgesetzt und somit Energie gespart bzw. die Strömungsrate der Gasströmung durch das erfindungsgemäße Heißgasfilter erhöht werden kann. Dies impliziert insbesondere, dass der Katalysator bestimmte Reformierungsreaktionen erst ermöglicht, die ohne ihn nur bei (unter Umständen unvertretbar) hohen Temperaturen durchführbar wären. Welche Eigenschaft, Herabsetzung der Aktivierungsenergie oder Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, stärkere Berücksichtigung findet, hängt vom Einzelfall, d. h. den stattfindenden Reaktionen, der Prozessführung etc. ab. Insbesondere ist auch zu beachten, dass einer höheren Strömungsrate eine geringere Verweilzeit in dem Filterelement und Kontaktzeit mit dem Katalysator und somit ein geringerer Umsatz entgegensteht. Das Tauchrohr hat den Vorteil, dass die Wandstärken des Gehäuses dünner sein können und dass der Einfluss der Temperatur auf die Wahl des Materials für das Gehäuse verringert ist.
Der Terminus „Heißgasfilter” weist darauf hin, dass das erfindungsgemäße Filter in Temperaturbereichen oberhalb einer Grenztemperatur eingesetzt werden kann, die z. B. von polymeren Filtermedien nicht mehr bedient werden können. Für diese Grenztemperatur kann jedoch nur ein Richtwert von ca. 250°C–350°C angegeben werden. Herkömmliche Heißgasfilter, deren Wirkungsweise im Wesentlichen nur der des erfindungsgemäßen „Filterelements” entspricht, bestehen aus Metall oder Keramik und sind heute bis zu einer Temperatur von ca. 800°C einsetzbar. Daraus, dass bei der Heißgasfiltration die Temperatur des zu filternden bzw. reinigenden Gases im Vergleich zu der bei der so genannten Niedertemperaturfiltration hoch ist, entsteht bei der Heißgasfiltration keine Verlustwärme, so dass die chemische Energie der in dem Gas enthaltenen Teere in dem Produktgas verbleibt. Darüber hinaus wird ein Ausfällen der Teere, das ein Verkleben des Filters zur Folge haben kann, verhindert, da die Temperatur oberhalb des oben erwähnten Taupunkts liegt. Überdies handelt es sich bei der Heißgasfiltration um ein trockenes Verfahren, in dem keine flüssigen Hilfsstoffe wie etwa Wasser oder RME (Rapsöl-Methyl-Ester), dem Hauptbestandteil von Biodiesel, benötigt werden, wodurch sich insbesondere auch die Entsorgung der mit den Teeren und Stäuben belasteten Flüssigkeiten erübrigt. Schließlich kommt es bei einem Heißgasfilter zu einer Aufspaltung großmolekularer Teere und einer vollständigen Vergasung von Restkoks, was zusammenfassend als Reformierung bezeichnet werden kann. Das Heißgasfilter umfasst eine erste Filterstufe, die durch den Fliehkraftabscheider gebildet ist und in der hauptsächlich Stäube – und zwar bis zum so genannten Grenzkorn des Fliehkraftabscheiders, d. h. Staubpartikeln, die so groß sind, dass sie zu 50% abgeschieden werden – aus dem Eduktgas entfernt werden, und eine zweite Filterstufe, die durch das Filterelement gebildet ist und in der hauptsächlich eine Umwandlung der in dem nach der ersten Filterstufe als Anströmgas bezeichneten Gas vorhandenen organischen Stoffe stattfindet, wobei die Gasströmung von dem Anströmraum zu dem Produktgasraum gerichtet ist. Es ist zu beachten, dass die Wirkung des Filterelements sowohl mechanisch-physikalisch als auch chemisch ist. Die genannten Sachverhalte können schematisch wie folgt dargestellt werden, woraus die hier verwendete Terminologie ersichtlich ist:
Das heißt, der Begriff „Austrittsgas” bezeichnet das „eigentliche Gas”, das die zu beseitigenden Stäube und organischen Stoffe als Schwebstoffe enthält.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 der vorliegenden Erfindung ist das Katalysatormaterial Nickel oder eine Nickel-Legierung. Als Nickel-Legierung kann zum Beispiel eine Nickel-Aluminium-Legierung (Raney-Nickel) oder eine Nickel-Zinn-Legierung oder jede andere Nickel-Legierung, die den gewünschten Effekt in ausreichender Stärke liefert, verwendet werden. Der entscheidende Vorteil von Nickel gegenüber zum Beispiel Platin liegt im niedrigeren Preis. Doch auch Platin und jedes andere Katalysatormaterial, das den gewünschten Effekt in ausreichender Stärke liefert, kann verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die Vorgabe „in ausreichender Stärke” natürlich von den Prozessbedingungen abhängt. Alternativ kann das Filterelement auch mit Nickel beschichtet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 der vorliegenden Erfindung kann die Heizvorrichtung dergestalt sein, dass sie sich, zum Beispiel in Form eines Heizstabes, in einen Hohlraum des Filterelements erstreckt und dieses von innen erwärmt, oder dergestalt sein, dass das Filterelement durch sie von einem heißen Gas angeströmt (vgl. Anspruch 5) wird oder im Bereich einer Gasflamme angeordnet ist. Wenn zum Beispiel, wie es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 der vorliegenden Erfindung definiert ist, das Filterelement eine Filterkerze mit einem offenen und einem geschlossenen Ende umfasst, die so in einer Trennwand zwischen dem Anströmraum und dem Produktgasraum angeordnet ist, dass das geschlossene Ende in den Anströmraum ragt, so ragt vorteilhafterweise die Heizvorrichtung, die im Fall der Filterkerze idealerweise als Heizstab ausgebildet ist, von der Seite des Produktgasraums in das Filterelement. Der umgekehrte Fall, d. h. die Anordnung der Heizvorrichtung im Anströmraum, ist grundsätzlich ebenso möglich, wenngleich aus konstruktiven Gründen, aber vor allem wegen der damit verbundenen Verschmutzung der Heizvorrichtung durch das Anströmgas, die erste Variante in der Regel vorzuziehen ist, wie es aus 1 der unten beschriebenen Ausführungsform ersichtlich ist. Eine Heizvorrichtung hat den Vorteil, eine für die gewünschten, zwischen dem Anströmgas und dem Katalysatormaterial stattfindenden Reaktionen optimale Temperatur, die so genannte Anspringtemperatur einstellen und gewährleisten zu können (vgl. Anspruch 12).
Wie es oben bereits angesprochen ist, kann eine Heizvorrichtung erfindungsgemäß auch dadurch realisiert sein, dass Luft – oder ein anderes geeignetes Oxidationsmittel – in den Anströmraum eingeleitet wird. Durch eine sich durch partielle Oxidation des Anströmgases in dem Anströmraum ausbildende Diffusionsflamme kann der Anströmraum und damit das Filterelement beheizt werden. Dies hat den Vorteil, dass unter Umständen auf eine separate Heizvorrichtung verzichtet oder deren Wirkung ergänzt werden kann. So ist es zum Beispiel denkbar, durch die mit der Luft verbundene Wärmeentwicklung im Anströmraum eine gewisse „Grundtemperatur” zu erzeugen, die dann durch Zuschalten der Heizvorrichtung ähnlich der Überlagerung einer Gleichspannung mit einer geregelten Wechselspannung geregelt wird. Der Heizvorrichtung könnte dann nur die Temperaturregelungsfunktion zukommen, was sich insbesondere aufgrund einer unterschiedlichen thermischen Trägheit im Vergleich zu einer Regelung der Temperatur durch die Heizvorrichtung allein als günstig erweisen kann. Die Einströmvorrichtung hat darüber hinaus den Vorteil, dass sich der „Anströmdruck”, mit dem das Filterelement „beaufschlagt” wird, erhöht wird. Zwar kann der Anströmdruck nicht beliebig erhöht werden, da sonst die Gefahr besteht, das Filterelement zu beschädigen. Dies lässt jedoch dennoch eine Veränderung des Anströmdrucks und somit eine Regelung des Gasdurchsatzes durch das Filterelement bis zu einem gewissen Maß zu, was für einen optimalen Betrieb ausgenutzt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 6 der vorliegenden Erfindung umfasst die Einströmvorrichtung eine Düsenanordnung mit einer Mehrzahl von Düsen, insbesondere einen Düsenkranz. Der Luftstrom der Düsen wird erfindungsgemäß in Richtung des Filterelements gerichtet, so dass die Strömung des in das Heißgasfilter über den Fliehkraftabscheider einströmenden und durch Abscheidung von Staubpartikeln mit Hilfe des Fliehkraftabscheiders in das Anströmgas umgewandelten (gefilterten) Gases zu den Filterkerzen umgelenkt wird. Die Düsen sind dabei insbesondere so angeordnet, dass die Luftströmung die Wirkung des Fliehkraftabscheiders nicht beeinträchtigt oder gar der Gasströmung im Fliehkraftabscheider behindernd entgegengerichtet ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Geschwindigkeit der Luftströmung nicht so hoch einzustellen, dass eine starke Wirbelbildung im Anströmraum erzeugt wird. Unter einem Düsenkranz soll hier allgemein eine von der Stabform abweichende Düsenanordnung verstanden sein. Beispielweise kann der Düsenkranz im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein, wobei die Form des Düsenkranzes idealerweise der Anordnung der – gemäß Anspruch 3 – „wenigstens einen Filterkerze” entspricht, die durch ihn mit Luft angeströmt wird. Die Anzahl der Düsen kann erfindungsgemäß von der der Filterkerzen abweichen. Auch ist es denkbar, dass nicht alle Düsen in die gleiche Richtung gerichtet sind, um eine optimale Beströmung der Filterkerzen zu erreichen. Der Luftstrahl kann zum Beispiel im Wechsel mehr nach innen und mehr nach außen gerichtet sein. Zudem kann die Position der Düsenanordnung veränderbar sein, so dass eine Anpassung an verschiedene Filterelemente möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 der vorliegenden Erfindung umfasst das Heißgasfilter eine Abreinigungsvorrichtung zum Abreinigen des Filterelements durch Beaufschlagen des Produktgasraums mit einem Abreinigungsmittel. Dies geschieht vorteilhafterweise durch pulsartiges Einleiten des Abreinigungsmediums in den Produktgasraum. Die Abreinigung des Filterelements dadurch, dass zu vorbestimmten Zeiten oder bedarfsadaptiv der Produktgasraum mit einem Druck beaufschlagt wird, der höher als der im Anströmraum ist, so dass während der Abreinigung die Strömungsrichtung des Normalbetriebs umgekehrt ist, kann das Filterelement auf einfache Weise von anströmseitig anhaftenden Stoffen, dem so genannten Filterkuchen, befreit und so regeneriert werden, ohne es zu diesem Zweck ausbauen zu müssen. Die abgelösten Stoffe fallen nach unten aus dem Heißgasfilter heraus. Insbesondere ist auf diese Weise eine Reinigung des Filterelements möglich, ohne den Betrieb des erfindungsgemäßen Heißgasfilters (nennenswert) zu unterbrechen. Vorteilhafterweise erfolgt die bedarfsadaptive Reinigung des Filterelements auf der Grundlage von Parametern des Produktgases, wie etwa dessen Zusammensetzung oder Strömungsgeschwindigkeit. Während der Abreinigung ist die Luftzufuhr über die Einströmvorrichtung vorteilhafterweise unterbrochen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 11 der vorliegenden Erfindung enthält das Eduktgas anorganische Stoffe.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 12) umfasst ein Verfahren zur mehrstufigen Absonderung und Umwandlung von in einem Eduktgas enthaltenen organischen und gegebenenfalls anorganischen Stoffen mit Hilfe des Heißgasfilters nach einem der vorherigen Ansprüche die Schritte: tangentiales Einströmen des Eduktgases in den Einlaufzylinder des Fliehkraftabscheiders; physikalisches Absondern von wenigstens einem Teil der Stoffe, mit denen das Eduktgas befrachtet ist; und Filtern von wenigstens einem weiteren Teil der Stoffe durch das Filterelement, wobei durch das Filterelement eine chemische Umwandlung von wenigstens einem Teil der Partikel stattfindet und das Filterelement ein katalytisches Material enthält und zur katalytischen Umwandlung von wenigstens einem Teil der Partikel auf wenigstens die Anspringtemperatur des katalytischen Materials erwärmt wird. Auf diese Weise ist durch das Heißgasfilter ein zweistufiges Filterverfahren verwirklicht, dessen erste Stufe (zweiter Schritt) im Wesentlichen eine physikalische Abscheidung von Stäuben und dessen zweite Stufe (dritter Schritt) eine chemische Umwandlung von organischen Stoffen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung (Anspruch 13) enthält das Eduktgas anorganische Stoffe.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ersichtlich.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Heißgasfilters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 umfasst ein Heißgasfilter 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Fliehkraftabscheider 100, ein Filterelement 200, eine Heizvorrichtung 300 und eine Abreinigungsvorrichtung 400.
Der Fliehkraftabscheider 100 umfasst ein Gehäuse 102 mit einem Einlaufzylinder 104 und einem unterhalb des Einlaufzylinders 104 angeordneten und einteilig mit diesem verbundenen Trichter 106. Der Trichter 106 ist aus einem oberen Abschnitt 108, der in Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet ist, und einem rohrförmigen unteren Abschnitt 110 aufgebaut. Der Fliehkraftabscheider 100 umfasst ferner einen Gaseinlass 112, der so in dem Einlaufzylinder 104 mündet, dass einströmendes Gas entlang einer Innenwand des Gehäuse spiralförmig in 1 nach unten in Richtung des Trichters 106 geleitet wird. Der Fliehkraftabscheider 100 umfasst ferner ein Tauchrohr 114, das konzentrisch zu dem Einlaufzylinder 104 in dem Einlaufzylinder 104 so angeordnet ist, dass zwischen dem Einlaufzylinder 104 und dem Tauchrohr 114 ein im Querschnitt in einer zu der Achse A senkrechten Ebene kreisringförmiger Spalt 116 gebildet ist, der sich von einem oberen Ende des Tauchrohrs 114 nicht ganz bis zu dem unteren Abschnitt 110 erstreckt. Das Tauchrohr 114 weist an seinem in 1 oberen Ende einen ringförmigen Flansch 118 auf, der sich zwischen einen ringförmigen Flansch 120, der an seinem in 1 oberen Ende des Einlaufzylinders 104 ausgebildet ist, und einer oberen Abdeckung 122 des Heißgasfilters 10 nach radial außen erstreckt und das Heißgasfilter 10 nach oben gasdicht abschließt. Der gasdichte Abschluss ist durch eine Schraubverbindung 124 hergestellt, durch die Dichtungen 126 zwischen der oberen Abdeckung 122 und dem ringförmigen Flansch 118 bzw. zwischen den ringförmigen Flanschen 118 und 120 zusammengepresst werden.
Das Heißgasfilter 10 umfasst ferner eine im unteren Bereich des Einlaufzylinders 104 angeordnete Einströmvorrichtung 128, die in Form eines ringförmigen Rohres mit äquidistant angeordneten Düsen (nicht gezeigt) ausgebildet ist, das sich in einer zur Achse A senkrechten Ebene erstreckt. Wie es in 1 gezeigt ist, ist die Einströmvorrichtung 128 unterhalb des unteren Endes des Tauchrohrs 114 angeordnet und hat einen Durchmesser, der kleiner als der Durchmesser des Tauchrohrs 114 ist.
Das Filterelement 200 umfasst eine Zwischenwand 202, die das durch das Tauchrohr 114 gebildete Volumen in einen oberen Produktgasraum 204 und einen unteren Anströmraum 206 unterteilt. Das heißt, die Zwischenwand 202 ist entlang ihres Umfangs gasdicht mit dem Tauchrohr 114 verbunden. In der Zwischenwand 202 sind entlang eines Kreises um die Achse A äquidistant eine Mehrzahl von Filterkerzen 208 angeordnet, die sich von der Zwischenwand 202 nach unten in den Anströmraum 206 erstrecken, wobei sich das untere Ende jeder Filterkerze 208 oberhalb des unteren Endes des Tauchrohrs 114 befindet. Die Filterkerzen 208 sind jeweils in Form eines Rohres ausgebildet, dessen untere Öffnung verschlossen und dessen obere Öffnung zum Produktgasraum 204 geöffnet ist. Die Filterkerzen 208 sind aus einer gasdurchlässigen Ni-Legierung (Hastelloy) gebildet.
Die Heizvorrichtung 300 umfasst elektrische Heizelemente 302 die sich ins Innere der Filterkerzen 208 erstrecken und über Stromversorgungsleitungen 304 mit einer Energiequelle (nicht gezeigt) verbunden sind.
Die Abreinigungsvorrichtung 400 umfasst Abreinigungsrohre 402, durch die jeweils eine der Stromversorgungsleitungen 304 bis unmittelbar vor die Zwischenwand 202 geführt sind, wobei zwischen einer jeweiligen Stromversorgungsleitung 304 und des sie umgebenden Abreinigungsrohrs 402 ein kreisringförmiger Spalt zum Einleiten eines Abreinigungsmediums über Einströmstutzen 404 der Abreinigungsrohre 402 ausgebildet ist. Wie es in 1 gezeigt ist, sind die Abreinigungsrohre 402 gasdicht durch die obere Abdeckung 122 geführt.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist in der Mitte der oberen Abdeckung 122 ein Produktgasrohr 130 angeordnet, über das gereinigtes Eduktgas (Produktgas) abgeführt wird.
Nachfolgend ist die Funktion des in 1 gezeigten Heißgasfilters 10 beschrieben.
Das Heißgasfilter 10 kann funktional in einen ersten Filterabschnitt und einen zweiten Filterabschnitt unterteilt werden. Der erste Filterabschnitt ist durch den Fliehkraftabscheider 100 gebildet, während der zweite Filterabschnitt durch das Filterelement 200 gebildet ist. Mit dem zweiten Filterabschnitt gekoppelt ist die Heizvorrichtung 300.
Das Eduktgas tritt durch den Gaseinlass 112 in den Fliehkraftabscheider 100 ein und strömt spiralförmig in dem kreisringförmigen Spalt 116 nach unten. Die bei diesem Vorgang abgeschiedenen Stäube (in 1 als Punkte entlang der Innenwand des Trichters 106 dargestellt) werden nach unten aus dem Heißgasfilter 10 heraus befördert. Das von den Stäuben befreite Eduktgas, das, wie oben beschrieben, hier als Anströmgas bezeichnet wird, wird durch die Einströmvorrichtung 128 in Richtung der Filterkerzen 208 gelenkt, bzw. die Filterkerzen 208 werden von dem Anströmgas angeströmt. Das Anströmgas dringt in die Wand der zylinderförmig ausgebildeten Filterkerzen 208, die durch die Heizvorrichtung 300 von innen beheizt werden, ein und tritt als Produktgas in den Produktgasraum 204 ein. Das Produktgas unterscheidet sich von dem Anströmgas darin, dass die organischen Stoffe, die in letzterem enthalten sind (oben als 1. organische Stoffe bezeichnet) in kleinere organische Stoffe (oben als 2. organische Stoffe bezeichnet) gespalten bzw. gecrackt sind. Diese kurzkettigeren Moleküle haben nicht mehr die Eigenschaft ihrer Ausgangsstoffe, als klebrige Ablagerungen auszufallen. Es ist zu beachten, dass Teere in der Gegenwart von Wasserdampf und/oder CO2 in H2 und CO umgewandelt werden. Diese Reaktion verläuft umso effizienter je höher die Temperatur ist. Eine rein thermische Umwandlung findet erst ab ca. 1100°C statt. Durch den Einsatz des Katalysators lässt sich diese Temperatur auf 900°C senken. Je länger die Verweilzeit, desto vollständiger der Umsatz. Das Produktgas wird über das Produktgasrohr 130 nach außen abgeführt. Nach einer vorbestimmten Zeit oder bedarfsadaptiv wird, wie es oben beschrieben ist, durch die Abreinigungsvorrichtung 400 ein Abreinigungsmedium mit erhöhtem, idealerweise gepulstem Druck in den Produktgasraum 204 geleitet, um den sich an den äußeren Oberflächen der Filterkerzen 208 abgelagerten Filterkuchen von den Filterkerzen 208 zu entfernen. Der abgelöste Filterkuchen wird nach unten durch den Trichter 106 aus dem Heißgasfilter 10 herausbefördert. Unten am Filtratauslass befindet sich eine Schleuse (nicht gezeigt), um zu verhindern, dass das Gas den Weg über den Trichter 106 nimmt. Wie es in 1 gezeigt ist, wird das Abreinigungsmedium durch die Abreinigungsrohre 402 direkt ins Innere der Filterkerzen 208 geleitet, so dass sich im Idealfall ein erhöhter Druck im Wesentlichen nur innerhalb der Filterkerzen 208 und nicht auch im Produktgasraum 204 aufbaut. Dies verringert die Trägheit der Abreinigungsvorrichtung 400 und erlaubt schlankere Druckimpulse. Um diesen Effekt zu optimieren, können sich die Abreinigungsrohre 402 noch weiter nach unten erstrecken als es in 1 gezeigt ist. Wie es oben bereits erwähnt ist, kommt dem Tauchrohr 114 eine Doppelfunktion zu. Zum einen dient es dazu, den kreisringförmigen Spalt 116 zu erzeugen, in dem das Eduktgas nach unten geführt wird. Zum anderen fungiert es als Strahlungsschutz, der verhindert, dass sich das Gehäuse 102 zu sehr erwärmt.
Bezugszeichenliste

10: Heißgasfilter
100: Fliehkraftabscheider
102: Gehäuse
104: Einlaufzylinder
106: Trichter
108: oberer Abschnitt von 106
110: unterer Abschnitt von 106
112: Gaseinlass
114: Tauchrohr
116: kreisringförmiger Spalt
118: ringförmiger Flansch
120: ringförmiger Flansch
122: obere Abdeckung
124: Schraubverbindung
126: Dichtungen
128: Einströmvorrichtung
130: Produktgasrohr
200: Filterelement
202: Zwischenwand
204: Produktgasraum
206: Anströmraum
208: Filterkerzen
300: Heizvorrichtung
302: Heizelemente
304: Stromversorgungsleitungen
400: Abreinigungsvorrichtung
402: Abreinigungsrohre
404: Einströmstutzen

Claims

Heißgasfilter (10) zur zweistufigen Absonderung und Umwandlung von in einem Eduktgas enthaltenen organischen Stoffen zur Erzeugung eines Produktgases, wobei das Heißgasfilter (10) umfasst: – einen Fliehkraftabscheider (100), der ein Gehäuse (102) mit einem Einlaufzylinder (104), in dem ein Tauchrohr (114) angeordnet ist, umfasst; – ein Filterelement (200), das einen Anströmraum (206) und einen Produktgasraum (204), die in einem von dem Tauchrohr (114) begrenzten Volumen angeordnet sind, miteinander verbindet; und – eine Heizvorrichtung (300) zum Heizen des Filterelements (200), wobei – das Filterelement (200) ein Katalysatormaterial zur katalytischen Reformierung von wenigstens einem Teil der organischen Stoffe enthält; und – das Tauchrohr (114) als Wärmeschutzrohr zum Schutz des Gehäuses (102) ausgebildet ist.
Heißgasfilter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormaterial Nickel oder eine Nickel-Legierung ist.
Heißgasfilter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (200) wenigstens eine Filterkerze (208) mit einem offenen und einem geschlossenen Ende umfasst, die so in einer Trennwand zwischen dem Anströmraum (206) und dem Produktgasraum (204) angeordnet ist, dass ihr geschlossenes Ende in den Anströmraum (206) ragt.
Heißgasfilter (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Heizvorrichtung (300) in die wenigstens eine Filterkerze (208) erstreckt.
Heißgasfilter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgasfilter (10) eine Einströmvorrichtung (128) zum Einströmen von Luft in den Anströmraum (206) umfasst.
Heißgasfilter (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmvorrichtung (128) eine Düsenanordnung mit einer Mehrzahl von Düsen, insbesondere einen Düsenkranz, umfasst.
Heißgasfilter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgasfilter (10) eine Abreinigungsvorrichtung (400) zum Abreinigen des Filterelements (200) durch Beaufschlagen des Produktgasraums (204) mit einem Abreinigungsmediums umfasst.
Heißgasfilter (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abreinigungsmedium ein inertes Gas, insbesondere CO₂ oder N₂, oder das Produktgas ist.
Heißgasfilter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (102) einen Trichter (106) zum Abführen von wenigstens einem Teil der Stoffe und wenigstens einem Teil von deren Umwandlungsprodukten umfasst, wobei der Trichter (106) mit dem Einlaufzylinder (104) verbunden ist.
Heißgasfilter (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffe Stäube und Teere umfassen.
Heißgasfilter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eduktgas anorganische Stoffe enthält.
Verfahren zur mehrstufigen Absonderung und Umwandlung von in einem Eduktgas enthaltenen organischen Stoffen mit Hilfe des Heißgasfilters (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – tangentiales Einströmen des Eduktgases in den Einlaufzylinder (104) des Fliehkraftabscheiders (100); – physikalisches Absondern von wenigstens einem Teil der Stoffe, mit denen das Eduktgas befrachtet ist; und – Filtern von wenigstens einem weiteren Teil der Stoffe durch das Filterelement (200), wobei – durch das Filterelement (200) eine chemische Umwandlung von wenigstens einem Teil der Partikel stattfindet, und – das Filterelement (200) ein katalytisches Material enthält und zur katalytischen Umwandlung von wenigstens einem Teil der Partikel auf wenigstens die Anspringtemperatur des katalytischen Materials erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Eduktgas anorganische Stoffe enthält.