DE102011107621B4 - Fine purification of product gases - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Reinigung eines Produktgases, welches durch Aufbereitung von Biomasse erzeugt wird, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:- Erzeugung eines Produktgases durch thermochemische Konversion von Biomasse in einem Reaktor (20),- Ableiten des erzeugten Produktgases aus der Erzeugung und Zuführen in eine nass arbeitende Gashauptreinigungsstufe (22), wobei das Produktgas in der Gashauptreinigungsstufe (22) bis mindestens zu seiner Kühlgrenztemperatur kleiner 90°C abgekühlt wird,- Zuleiten des nun auf eine Schmutzfracht von maximal 10% gereinigten Produktgases in ein nass betriebenes Filter (24), wobei dem wesentlichen Teil eines Tiefenfiltermaterials (26 bzw. 26a) des Filters (24) im Verhältnis zum wesentlichen Teil des Tiefenfilters radialsymmetrisch angeordnete Vorabscheiderschichten (26d) vorgeschaltet sind, welche vertikal gegenüber dem Filter (24) angeordnet sind, und- Zurverfügungstellen des so gereinigten Produktgases für einen Verbraucher.Process for cleaning a product gas, which is generated by processing biomass, comprising the following process steps: - generating a product gas by thermochemical conversion of biomass in a reactor (20), - deriving the product gas generated from the generation and feeding it into a wet-working main gas purification stage (22), the product gas being cooled in the main gas cleaning stage (22) to at least its cooling limit temperature of less than 90°C,- the product gas, now cleaned to a maximum contamination load of 10%, is fed into a wet-operated filter (24), the essential Part of a depth filter material (26 or 26a) of the filter (24) is preceded by radially symmetrically arranged preseparator layers (26d) in relation to the main part of the depth filter, which are arranged vertically opposite the filter (24), and making the product gas cleaned in this way available for a Consumer.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine mindestens einstufige Filtereinrichtung zur filtrierenden und verstopfungsfreien Feinreinigung von Produktgasen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung und Reinigung eines heizwertreichen Produktgases, welches durch thermochemische Konversion (Vergasung bzw. Pyrolyse) aus Biomasse erzeugt wird. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Reinigungsverfahren für ein derartig hergestelltes Produktgas.The present invention relates to a method and an at least one-stage filter device for the filtering and blockage-free fine cleaning of product gases. The invention relates to a method for producing and purifying a product gas with a high calorific value, which is produced from biomass by thermochemical conversion (gasification or pyrolysis). In particular, it relates to a purification process for a product gas produced in this way.
Heizwertreiche Produktgase können durch die Prozesse der thermochemischen Vergasung oder der Pyrolyse unter Luftmangelbedingungen aus Biomasse, wie z.B. Holz, Gärresten von Biogasanlagen, Grünschnitt, Straßenbegleitgrün, Biomassen, die typischerweise in Kompostwerken vorkommen oder Tierdung, z.B. Hühnertrockenkot, erzeugt werden. Unabhängig davon können diese Biomassen direkt der thermochemischen Konversion zugeführt werden oder zuvor durch hydrothermale Karbonisierung vorbehandelt werden. Derartige Verfahren und Vorrichtungen zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse sind insbesondere aus der
Verfahren zur nassen Hochleistungsgasreinigung von derartigem Produktgas sind u.a. in der
Die
Die
Das Problem bei den bekannten Verfahren zur Herstellung und insbesondere zur Reinigung eines derartigen, aus Biomasse gewonnenen Produktgases liegt in den Verunreinigungen, die im Produktgas enthalten sind, und die durch Gasreinigung nach dem Stand der Technik bislang nur unzureichend bzw. aufwändig und störanfällig entfernt werden können. Bekanntlich liefert z.B. die Holzvergasung stark mit Teer und Staub beladene Produktgase, dies führt zu Verstopfungen, Beeinträchtigungen und Störungen in nachgeschalteten Maschinen, die das Produktgas verwenden. Ähnliche Probleme treten auch bei Produktgasen auf, die aus anderen Biomassen erzeugt sind. Teer ist eine Sammelbezeichnung für höhere Kohlenwasserstoffe, die überwiegend bei Umgebungstemperatur durch Kondensation als Teeraerosole anfallen. Mit Staub werden die feststoffförmigen Verunreinigungen, wie beispielsweise unverbrannter Kohlenstoff und Asche, bezeichnet, die temperaturunabhängig als feste Staubpartikel auftreten. Zur exakten Definition von Teer wird auf das sogenannte Teerprotokoll verwiesen.The problem with the known methods for producing and in particular for cleaning such a product gas obtained from biomass lies in the impurities that are contained in the product gas and which can only be removed inadequately or complex and prone to failure by gas cleaning according to the prior art . It is known, for example, that wood gasification produces product gases heavily laden with tar and dust, which leads to blockages, impairments and malfunctions in downstream machines that use the product gas. Similar problems also arise with product gases generated from other biomasses. Tar is a collective term for higher hydrocarbons, which occur mainly at ambient temperature through condensation as tar aerosols. Dust is the term used to describe solid contaminants, such as unburned carbon and ash, which appear as solid dust particles regardless of temperature. For the exact definition of tar, reference is made to the so-called tar protocol.
Die Gasreinigung ist daher seit sehr vielen Jahren wohl der kritischste Punkt bei der Nutzung der hier in Rede stehenden Produktgase. Angestrebt wird eine Gasqualität, die so ist, dass ein Turbomotor mit dem Produktgas betrieben werden kann. Bei Turbomotoren werden Turbolader eingesetzt. Diese neigen zu Verstopfungen, es werden darin Ablagerungen gebildet usw.. All dies soll verhindert werden. Es soll aber auch eine mechanische Beeinträchtigung des Motors verhindert werden, die Schmutzfracht im Produktgas soll nicht zu mechanischen Beeinträchtigungen des Turbomotors führen. Bei Turbomotoren ist hier z.B. an Ottomotoren gedacht.Gas cleaning has therefore been the most critical point in the use of the product gases in question for many years. The aim is a gas quality that is such that a turbo engine can be operated with the product gas. Turbochargers are used in turbo engines. These tend to clog, deposits build up in them, etc. All of this should be prevented. However, mechanical impairment of the engine should also be prevented, the dirt load in the product gas should not lead to mechanical impairment of the turbo engine. In the case of turbo engines, for example, Otto engines are meant here.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung und zur Reinigung des Produktgases soll so ablaufen, dass die Wartungsintervalle in einem vernünftigen Bereich liegen. Hierunter wird eine Wartung zwischen einem und drei Monaten beispielhaft verstanden. Die entsprechende Anlage soll also mindestens einen Monat störungsfrei laufen, ehe die erfindungsgemäße Feinreinigung wieder gewartet werden muss. Das Reinigungsintervall der nachgeschalteten Komponenten, insbesondere des Turboladers, kann dadurch auf bis zu einmal pro Jahr verlängert werden. Diese Wartungszyklen sind bei derzeitigen Anlagen nach dem allgemeinen Stand der derzeitigen Technik noch nicht erreicht.The process according to the invention for the production and purification of the product gas should take place in such a way that the maintenance intervals are within a reasonable range. This means maintenance between one and three months as an example. The corresponding system should therefore run trouble-free for at least a month before the fine cleaning according to the invention has to be serviced again. The cleaning interval of the downstream components, especially the turbocharger, can be extended to up to once a year. These maintenance cycles have not yet been achieved with current systems based on the general state of the art.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Filtereinrichtung, die zur Feinreinigung eines in einem Reaktor (20) durch direkte thermochemische Konversion von Biomasse und/oder durch andere Verfahren vorbehandelte Biomasse erzeugten heizwertreichen Produktgases verwendbar ist, das vor Eintritt in die erfindungsgemäße Filtereinrichtung in einer nass arbeitenden Gashauptreinigungsstufe (22), die zumindest einen elektrostatischen Abscheider mit Vorquench oder einen Hochleistungsgaswäscher enthält, die die Schmutzfracht zumindest von 100% auf 10% reduziert (bezogen auf Staubpartikel und Teeraerosole mit einem Durchmesser von 1 µm beim Austritt des Rohgases aus dem Reaktor (20) und Austritt des vorgereinigten Produktgases aus der Gashauptreingungsstufe (22) bei Gastemperaturen von 10 bis 50°C) vorgereinigt wird und bei dieser Vorreinigung bis mindestens zu seiner Kühlgrenztemperatur kleiner 90°C, vorzugsweise unter 50°C abgekühlt wird, um die bei der Herstellung des Produktgases anfallenden unerwünschten Teere als Aerosole auskondensierbar zu machen und in der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung ein faseriges Tiefenfilter mit großer Tiefe, d.h. mindestens 1,5 kg Fasern pro Quadratmeter Anströmfläche verwendbar ist, das nass betreibbar ist und mit einer Anströmgeschwindigkeit des Produktgases im Betriebszustand von 0,2 bis 20 Metern pro Minute, vorzugsweise von 2 bis 8 Metern pro Minute anströmbar ist und das im Betrieb differenzdruckgesteuert mittels einer zusätzlichen externen Flüssigkeits- und/oder Dampfaufgabe nachbefeuchtbar ist und das einem nachfolgenden Verbraucher das heizwertreiche Produktgas so gereinigt übergibt, so dass dieser mit langen Wartungsintervallen betreibbar ist, verwendbar ist.The subject matter of the invention is also a filter device which can be used for the fine cleaning of a high-calorific product gas produced in a reactor (20) by direct thermochemical conversion of biomass and/or biomass pretreated by other methods, which gas is produced in a wet-operating main gas purification stage before entry into the filter device according to the invention (22), which contains at least one electrostatic precipitator with prequench or a high-performance gas scrubber, which reduces the dirt load from at least 100% to 10% (related to dust particles and tar aerosols with a diameter of 1 µm when the raw gas exits the reactor (20) and exit of the pre-cleaned product gas from the gas main cleaning stage (22) at gas temperatures of 10 to 50 °C) and during this pre-cleaning it is cooled down to at least its cooling limit temperature of less than 90 °C, preferably below 50 °C, in order to Product gas occurring unwanted tars condensable as aerosols and in the filter device according to the invention a fibrous depth filter with great depth, ie at least 1.5 kg of fibers per square meter inflow area can be used, which can be operated wet and with an inflow velocity of the product gas in the operating state of 0.2 up to 20 meters per minute, preferably from 2 to 8 meters per minute, and which can be post-moisturized during operation under differential pressure control by means of an additional external liquid and/or steam feed and which delivers the product gas with a high calorific value to a subsequent consumer so cleaned that it can be used with long maintenance int expected is operable, is usable.
Demzufolge hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, die bekannten Verfahren zur Herstellung und Reinigung, insbesondere zur Reinigung von Produktgasen, die aus Biomasse durch thermochemische Konversion gewonnen werden, dahingehend weiterzubilden, dass die Reinigung nur in größeren Intervallen erfolgen muss und die Qualität des Produktgases in einem Bereich ist, der für den dauerhaften Betrieb von Turbomotoren geeignet ist. Große Intervalle im Sinne der Erfindung sind dabei insbesondere Wartungsintervalle von mindestens einem Monat. Ein dauerhafter Betrieb im Sinne der Erfindung ist dabei insbesondere die Möglichkeit eines ununterbrochenen Betriebs bis zur nächsten Wartung bzw. dem nächsten Wartungsintervall.Accordingly, the invention has set itself the task of further developing the known processes for the production and purification, in particular for the purification of product gases, which are obtained from biomass by thermochemical conversion, in such a way that the purification only has to take place at longer intervals and the quality of the product gas in is a range that is suitable for the continuous operation of turbocharged engines. Large intervals within the meaning of the invention are in particular maintenance intervals of at least one month. A permanent operation within the meaning of the invention is in particular the possibility of an uninterrupted operation until the next maintenance or the next maintenance interval.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit Merkmalen nach dem Anspruch 1 sowie eine Filtereinrichtung nach dem Anspruch 10.This object is achieved by a method with features according to claim 1 and a filter device according to claim 10.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.Advantageous configurations of the invention are characterized by the features of the dependent claims.
Vorteilhafterweise beträgt die nach dem erfindungsgemäßen Feinreinigungsverfahren noch im Reingas verbleibende Schmutzfracht, insbesondere umfassend Staubpartikel und Teeraerosole, weniger als 1 mg/m3 N.Advantageously, the dirt load still remaining in the clean gas after the fine cleaning process according to the invention, in particular comprising dust particles and tar aerosols, is less than 1 mg/m 3 N.
Die Erfindung besteht aus einem filternden und verstopfungsresistenten Gasreinigungsverfahren, das zwei Stufen hat, nämlich eine Hauptstufe und einen Fein- oder Endabscheider, der der Hauptstufe für die Gasvorreinigung nachgeschaltet wird.The invention consists of a filtering and blockage-resistant gas cleaning process which has two stages, namely a main stage and a fine or final separator which is installed downstream of the main stage for the gas pre-cleaning.
Die Feinreinigungsstufe beruht auf der nassen Tiefenfiltration und wird auch einfach als Filter bezeichnet. Die Hauptstufe beruht auf dem Prinzip der nassen Gasreinigung. Durch das erfindungsgemäße Gasreinigungsverfahren können die Emissionen von Stäuben, Aerosolen und kondensierenden Gasbestandteilen deutlich gemindert, bzw. der Wartungsaufwand an nachfolgenden Komponenten reduziert werden.The fine cleaning stage is based on wet depth filtration and is also simply referred to as a filter. The main stage is based on the principle of wet gas cleaning. The gas cleaning method according to the invention can significantly reduce the emissions of dust, aerosols and condensing gas components, and the maintenance effort on subsequent components can be reduced.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Feinreinigung von Produktgasen mit einem Heizwert von 3 bis 20 MJ/m3 N, insbesondere von 4 bis 7 MJ/m3 N, und einem Volumenstrom von 10 bis 40.000 m3 N/h, vorzugsweise 20 bis 2.000 m3 N/h und besonders vorzugsweise von 50 bis 1.500 m3 N/h. Die Erfindung schließt andere Anwendungen als die Reinigung von heizwertreichen Produktgasen, insbesondere medizintechnische Anwendungen, ausdrücklich aus. Darüber hinaus schließt die Erfindung Anwendungen für die Gasreinigung im Bereich der thermochemischen Konversion von Haushalts- und vergleichbaren kommunalen Abfällen sowie überwachungspflichtigem Sondermüll aus.The process according to the invention relates to the fine purification of product gases with a calorific value of 3 to 20 MJ/m 3 N , in particular 4 to 7 MJ/m 3 N , and a volume flow of 10 to 40,000 m 3 N /h, preferably 20 to 2000 m 3 N /h and more preferably from 50 to 1500 m 3 N /h. The invention expressly excludes applications other than the purification of product gases with a high calorific value, in particular medical applications. In addition, the invention excludes applications for gas cleaning in the field of thermochemical conversion of household and comparable municipal waste and hazardous waste that is subject to monitoring.
Im verfahrenstechnischen Bereich der Gasreinigung werden unter anderem trocken filtrierende, elektrostatische, thermische, katalytische und nasse Abscheidungsverfahren eingesetzt. Die besten Abscheideleistungen für Stäube werden mit filtrierenden Abscheidern erreicht. Der Betrieb von herkömmlichen Filtern, beispielsweise ausgeführt als trocken betriebene Schlauch-, Patronen- oder Taschenfilter, ist bei Feuchtigkeit oder kondensierenden Bestandteilen im Gas, wie z.B. Teer, häufig problematisch, da sich die Filtermedien bei Taupunktunterschreitung durch nasse klebrige Staubanhaftungen zusetzen können. Durch dieses Zusetzen kann ein Filter nach kurzer Betriebszeit die Funktionsfähigkeit vollständig verlieren. In the process engineering area of gas cleaning, dry filtering, electrostatic, thermal, catalytic and wet separation processes are used, among others. The best separation performance for dust is achieved with filtering separators. The operation of conventional filters, e.g. designed as dry-operated bag, cartridge or bag filters, is often problematic when there is moisture or condensing components in the gas, such as tar, since the filter media can become clogged with wet sticky dust adhesions when the dew point is undershot. As a result of this clogging, a filter can completely lose its functionality after a short period of operation.
Auch eine Erhöhung der Gastemperatur, insbesondere nach erfolgter Taupunktunterschreitung, beseitigt die kondensierten Tröpfchen nicht vollständig, so dass sie zur Einstellung der Tröpfchenbeladung des Gases vor Eintritt in das Filter verwendet werden kann.Even an increase in the gas temperature, in particular after it has fallen below the dew point, does not completely eliminate the condensed droplets, so that it can be used to adjust the droplet loading of the gas before it enters the filter.
Insbesondere für den Betrieb von eher kleinen Energieerzeugungsanlagen wird daher nach einmaliger Taupunktunterschreitung insbesondere von Wasser und/oder Teer davon ausgegangen, dass herkömmliche Filter, z.B. Schlauchfiltersysteme, nicht mehr mit ausreichender Sicherheit betrieben werden können.Especially for the operation of rather small power generation systems, it is therefore assumed that after the water and/or tar has fallen below the dew point once, conventional filters, e.g. bag filter systems, can no longer be operated with sufficient safety.
Nasse Abscheider kommen für das Verfahren in Betracht. Sie sind eher unempfindlich gegen Feuchtigkeit und kondensierende Gasbestandteile. Generell können die nassen Abscheider in normale und Hochleistungswäscher unterteilt werden. Zur Gruppe der Hochleistungswäscher zählen unter anderem Rotations- und Venturiwäscher. Allerdings haben selbst Hochleistungswäscher eine geringere Abscheideleistung für kleine Partikel als Filter.Wet separators can be considered for the process. They are rather insensitive to moisture and condensing gas components. Generally speaking, the wet separators can be divided into normal ones and high-performance scrubbers. The group of high-performance scrubbers includes rotary and venturi scrubbers. However, even high-performance scrubbers have a lower separation efficiency for small particles than filters.
Zur genaueren Beschreibung der bekannten Gasreinigungsverfahren wird auf die Fachliteratur, wie z.B. bei Löffler: Staubabscheiden, Vauck-Müller: Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik sowie auf die Homepages von Herstellerfirmen, wie z.B. MikroPul (www.mikropul.de), Lufttechnik Bayreuth (www.ltb.de) und DSD-ChemTech (www.dsd-chemtech.de für Brinkfilter) verwiesen.For a more detailed description of the known gas cleaning processes, reference is made to the specialist literature, such as Löffler: dust separation, Vauck-Müller: basic operations of chemical process engineering, and the homepages of manufacturing companies, such as MikroPul (www.mikropul.de), Lufttechnik Bayreuth (www.ltb. de) and DSD-ChemTech (www.dsd-chemtech.de for brink filters).
Elektrostatische Abscheider und/oder nasse Abscheider kommen für die Hauptstufe in Betracht. Elektrostatische Abscheider sind hinsichtlich der Reinigungsleistung zwischen Wäschern und Filtern einzuordnen. Hinsichtlich der für die Reinigung von heizwertreichem Produktgas besonders wichtigen Robustheit des Betriebes können sie jedoch bei weitem nicht mit den Wäschern konkurrieren. Daher kommen elektrostatische Abscheider für die erfindungsgemäße Anwendung der Hauptreinigung von Produktgasen, nicht aber für die nachfolgende Stufe in Betracht. Darüber hinaus kann der 100%-ige Ausschluss von Explosionsgefahren durch elektrostatische Abscheider gerade bei Kleinanlagen kaum möglich, so dass die Verwendung von Wäschern zur Hauptreinigung einen weiteren verfahrensbedingten Vorteil darstellt.Electrostatic precipitators and/or wet precipitators can be considered for the main stage. In terms of cleaning performance, electrostatic precipitators are classified between scrubbers and filters. With regard to the robustness of the operation, which is particularly important for the cleaning of product gas with a high calorific value, they cannot compete with the scrubbers by far. Electrostatic separators are therefore suitable for use according to the invention in the main purification of product gases, but not for the subsequent stage. In addition, the 100% exclusion of explosion hazards from electrostatic precipitators is hardly possible, especially in small systems, so that the use of scrubbers for the main cleaning represents a further process-related advantage.
Eine Möglichkeit, die robusten Betriebseigenschaften der Wäscher mit der hohen Abscheideleistung von Filtern miteinander zu kombinieren, besteht darin, das Filter dem Wäscher nachzuschalten. Die Wäscher dienen hierbei als Grob-, Vor- bzw. Hauptabscheider und das Filter als Fein- bzw. Endabscheider für Stäube, Aerosole und kondensierende Gasbestandteile.One way of combining the robust operating characteristics of the scrubber with the high separation efficiency of the filter is to place the filter downstream of the scrubber. The scrubbers serve as a coarse, pre- or main separator and the filter as a fine or final separator for dust, aerosols and condensing gas components.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft in diesem Fall die Nachschaltung des verstopfungsresistenten und nass betriebenen Tiefenfilters hinter einer nass arbeitenden, den Wassertaupunkt einmal unterschreitenden Hauptstufe. Die Hauptstufe verfügt zumindest über eine nasse Reinigungskomponente, wie z.B. Vorquench, Wäscher oder nass gereinigte Niederschlagselektroden des elektrostatischen Abscheiders, oder einen nassen Abscheider, vorzugsweise einen Gaswäscher, der eine vorgegebenen Mindestgrad an Vorreinigung ermöglicht. Durch die gute Vorreinigung der Hauptstufe wird die Standzeit der Feinreinigungsstufe erhöht. Ebenfalls beinhaltet die vorliegende Erfindung die Nachschaltung des verstopfungsresistenten Filters hinter jede Form der nassen Gasreinigungsverfahren mit einer Hauptstufe. Die Hauptstufe verwendet entweder einen Wäscher, insbesondere Hochleistungsgaswäscher und/oder eine elektrostatische Gasreinigung mit vorgeschalteter Nassstufe, z.B. Vorquench. Als Vorquench gilt dabei die Bedüsung des Gases mit Wasser, wie sie zum Beispiel durch Sprühtürme aber auch Stahlwäscher erfolgt.In this case, the present invention relates to the downstream connection of the clogging-resistant and wet-operated deep-bed filter behind a wet-operating main stage that once falls below the water dew point. The main stage has at least one wet cleaning component, such as a pre-quench, scrubber or wet-cleaned electrostatic precipitator collecting electrodes, or a wet precipitator, preferably a scrubber, which enables a predetermined minimum degree of pre-cleaning. The service life of the fine cleaning stage is increased thanks to the good pre-cleaning of the main stage. Also, the present invention includes placing the clog-resistant filter downstream of any form of wet gas cleaning process having a main stage. The main stage uses either a scrubber, in particular a high-performance gas scrubber and/or electrostatic gas cleaning with an upstream wet stage, e.g. prequench. Spraying the gas with water, such as that done by spray towers or steel washers, is considered a pre-quench.
Die beschriebene Erfindung betrifft auch ein filterndes und verstopfungsresistentes Gasreinigungsverfahren, das einer zumindest teilweise nassen Hauptstufe der Gasreinigung nachgeschaltet wird. Hierdurch wird die Abscheideleistung verbessert und Emissionen bzw. der Wartungsaufwand, insbesondere an nachgeschalteten Komponenten, werden verringert. In der Hauptstufe wird mindestens 90% der gesamten Schmutzfracht, vorzugsweise mindestens 95% und insbesondere mindestens 98% und noch mehr bevorzugt mindestens 99% zurückgehalten. Eine Abscheidung von mindestens 98% der Schmutzfracht ist ein typischer Wert für Hochleistungswäscher. Diese Angabe bezieht sich hierbei auf einen Durchmesser der Schmutzpartikel, insbesondere Staub, Teer, und/oder Aerosole, von etwa 1 µm Durchmesser.The described invention also relates to a filtering and clog-resistant gas cleaning process downstream of an at least partially wet main gas cleaning stage. This improves the separation performance and reduces emissions and the maintenance effort, especially on downstream components. At least 90% of the total dirt load, preferably at least 95% and in particular at least 98% and even more preferably at least 99% is retained in the main stage. A separation of at least 98% of the dirt load is a typical value for high-performance washers. This specification relates to a diameter of the dirt particles, in particular dust, tar and/or aerosols, of around 1 μm in diameter.
Das anschließende Filter hält den Rest, also nicht mehr als 10%, vorzugsweise nicht mehr als 5% und insbesondere nicht mehr als 2% zurück, wobei jeweils ein Wert von 0% hinter dem Filter erreicht wird. Als 100% wird die Schmutzfracht vor dem Eintritt in die Hauptreinigungsstufe bezeichnet. Als 0% wird eine Schmutzfracht beschrieben, die für den Betrieb eines Ottomotors, insbesondere eines mit einem Turbolader arbeitenden Motors zulässig ist. Idealerweise beträgt die Restbeladung des Reingases mit Staub und Teer bei einer Gastemperatur von etwa 10 bis 50°C weniger als 1 mg/m3 N.The subsequent filter retains the remainder, that is to say no more than 10%, preferably no more than 5% and in particular no more than 2%, with a value of 0% being reached behind the filter in each case. The dirt load before entering the main cleaning stage is referred to as 100%. A dirt load is described as 0%, which is permissible for the operation of an Otto engine, in particular an engine working with a turbocharger. Ideally, the residual loading of the clean gas with dust and tar at a gas temperature of about 10 to 50°C is less than 1 mg/m 3 N.
Durch die vorgeschaltete zumindest teilweise nasse Gasreinigung in der Hauptstufe vor dem Filter liegt in jedem Fall eine Unterschreitung des Wassertaupunktes im Produktgas vor. Wäre hier ein herkömmliches Filter eingesetzt, so könnte es unter diesen Betriebsbedingungen schlecht oder gar nicht betrieben werden, da sich auf der Filteroberfläche Feuchtigkeit (z.B. Wasser oder Teer) niederschlägt und mit ebenfalls im Gas vorhandenem Staub eine klebrige Schicht bildet, die sich kaum noch abreinigen lässt und damit zur Unbrauchbarkeit des Filters führt.Due to the upstream at least partially wet gas cleaning in the main stage before the filter, the water dew point in the product gas is always undercut. If a conventional filter were used here, it could be operated poorly or not at all under these operating conditions, since moisture (e.g. water or tar) is deposited on the filter surface and a sticky layer forms with the dust also present in the gas, which can hardly be cleaned off and thus renders the filter unusable.
Es ist das Verdienst der vorliegenden Erfindung, eine glückliche Kombination zwischen nass arbeitender Hauptstufe und dem nachgeschalteten Filter erkannt zu haben. Durch diese Kombination werden sowohl lange Standzeiten als auch eine sehr gute Feinreinigung des Produktgases erreicht.It is to the credit of the present invention to have recognized a fortunate combination between the wet-working main stage and the downstream filter. This combination achieves both long service lives and very good fine cleaning of the product gas.
Erstmals wird in den seit langen als äußerst schwierig geltenden Verfahren der Reinigung eines aus Biomasse erzeugten Produktgases ein einfaches, betriebssicheres und robustes Verfahren angegeben, bei dem die Reinigungsstufen, also die Hauptstufe und das Filter, einen Monat und mehr betrieben werden können, ohne dass Wartungen erfolgen müssen, insbesondere, ohne dass das Material des Filters ausgetauscht werden muss bzw. dass nachfolgende Komponenten gereinigt werden müssen.For the first time in the process of cleaning a product gas generated from biomass, which has long been considered extremely difficult, a simple ches, reliable and robust method specified in which the cleaning stages, i.e. the main stage and the filter, can be operated for a month or more without the need for maintenance, in particular without the material of the filter having to be replaced or the subsequent components need to be cleaned.
Bei dieser historischen Holzgasanwendung, die vor allem auf den nachträglichen Einbau in bestehende Fahrzeugkonzepte sowie auf Gewichtsreduktion für den mobilen Einsatz ausgelegt war, lagen die Wartungsintervalle typischerweise im Bereich von fünf bis 50 Betriebsstunden.With this historic wood gas application, which was primarily designed for retrofitting in existing vehicle concepts and for weight reduction for mobile use, the maintenance intervals were typically in the range of five to 50 operating hours.
Konzepte, wie das dem erfindungsgemäßen Gasreinigungsverfahren vorgeschaltete Konzept der sehr guten Vorabscheidung kamen aufgrund des damaligen Standes der Technik, sowie der Vorgabe der für den Betrieb im Mobilbereich erforderlichen Gewichtsreduktion noch nicht in Betracht. Als Tiefenfiltermaterial wurde Kork bzw. Holzwolle eingesetzt, das nach Gebrauch verbrannt oder dem Vergasungsprozess wieder zugeführt bzw. entsorgt werden konnte.Concepts such as the concept of very good pre-separation upstream of the gas cleaning process according to the invention were not yet considered due to the state of the art at the time and the specification of the weight reduction required for operation in the mobile sector. Cork or wood shavings were used as depth filter material, which could be burned after use or returned to the gasification process or disposed of.
Die langen Wartungsintervalle, die durch das erfindungsgemäße Gasreinigungsverfahren erzielt werden können, werden insbesondere dadurch erreicht, dass von der Hauptreinigungsstufe mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95% bzw. 98% der Schmutzfracht zurückgehalten werden. Unter Schmutzfracht werden Partikel und Aerosole, insbesondere Staub und Teer als Summenparamter, mit einer Größe von etwa 1 Mikrometer verstanden. Die Schmutzfracht wird in mg/m3 N angegeben und bezieht sich auf eine Gastemperatur von 10 bis 50°C. Die Beladung des Gases mit Wassertröpfchen wird nicht als Schmutzfracht verstanden, da dieses Wasser zu keinen Verschmutzungen der nachfolgenden Komponenten, wie z.B. einem Turbolader, führt.The long maintenance intervals that can be achieved by the gas cleaning process according to the invention are achieved in particular by retaining at least 90%, preferably at least 95% or 98% of the dirt load from the main cleaning stage. Dirt load means particles and aerosols, in particular dust and tar as sum parameters, with a size of about 1 micron. The dirt load is given in mg/m 3 N and relates to a gas temperature of 10 to 50°C. The loading of the gas with water droplets is not understood as a pollution load, as this water does not lead to any contamination of the subsequent components, such as a turbocharger.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Verstopfungsresistenz, vor allem unter für herkömmliche Filter schwierigen Betriebsbedingungen, insbesondere einer Staubbeaufschlagung bei gleichzeitiger Taupunktunterschreitung von Wasser bzw. kohlenwasserstoffhaltigem Kondensat (Teer) durch Feuchtigkeit bzw. Kondensat.An essential feature of the invention is the blockage resistance, especially under difficult operating conditions for conventional filters, in particular exposure to dust while water or hydrocarbon-containing condensate (tar) falls below the dew point due to moisture or condensate.
Zur Realisierung des erfindungsgemäßen filternden und verstopfungsresistenten Gasreinigungsverfahrens kann für das Filter beispielsweise ein stark faseriges Tiefenfiltermaterial, wie Glaswolle, eingesetzt werden. Anstelle von Glaswolle können auch andere faserige Tiefenfiltermaterialien wie Steinwolle sowie Aluminiumsilikatfasern, Schafwolle, Filze, Hanf, Flachs oder Kokosfasern sowie mit entsprechenden Parametern hinsichtlich der erfindungsgemäßen Filtereigenschaften sowie weitere biogene oder künstliche Fasermaterialien mit vergleichbaren Filtereigenschaften verwendet werden.To implement the filtering and blockage-resistant gas cleaning method according to the invention, a highly fibrous depth filter material, such as glass wool, can be used for the filter, for example. Instead of glass wool, other fibrous depth filter materials such as rock wool and aluminum silicate fibers, sheep's wool, felt, hemp, flax or coconut fibers and with appropriate parameters with regard to the filter properties according to the invention and other biogenic or artificial fiber materials with comparable filter properties can be used.
Durch die große innere Oberfläche des Materials vermag das Filtermaterial über eine lange Betriebszeit die durch die Vorreinigung bereits stark reduzierten Stäube, Aerosole und kondensierende Gasbestandteile aufzunehmen, ohne dass der Druckverlust des Filtermediums dadurch deutlich ansteigt. Insbesondere lässt sich die Standzeit des eingesetzten Filtermediums dadurch erhöhen, dass die Gasbeaufschlagung mit geringen Anströmgeschwindigkeiten, etwa im Bereich von wenigen Metern pro Minute erfolgt, d.h. eine ausreichend große Filterfläche zur Verfügung steht. Typische Werte der Anströmgeschwindigkeit im Betriebszustand liegen bei 0,2 bis 20 Meter pro Minute, vorzugsweise bei 2 bis 8 Meter pro Minute.Due to the large inner surface of the material, the filter material is able to absorb the dust, aerosols and condensing gas components that have already been greatly reduced by the pre-cleaning over a long period of operation without the pressure loss of the filter medium increasing significantly. In particular, the service life of the filter medium used can be increased by the fact that the gas impingement takes place at low inflow speeds, for example in the range of a few meters per minute, i.e. a sufficiently large filter surface is available. Typical values for the inflow speed in the operating state are 0.2 to 20 meters per minute, preferably 2 to 8 meters per minute.
Es besteht die Möglichkeit, das Filtermedium zusätzlich zur Beladung des Gasstromes mit Resttröpfchen durch eine weitere externe Flüssigkeitsbeaufschlagung zu benetzen. Der Betrieb von flüssigkeitsbeaufschlagten Filtermedien ist in jedem Fall mit einem höheren Druckverlust im Vergleich zum trockenen Betrieb verbunden, welcher eine erhöhte Ventilatorleistung erfordert. Der Vorteil besteht dagegen in einer deutlichen Verbesserung von Reinigungsleistung, Standzeiten des erfindungsgemäßen Gasreinigungsverfahrens und der nachfolgenden Komponenten.There is the possibility of wetting the filter medium in addition to loading the gas flow with residual droplets by applying an additional external liquid. In any case, the operation of liquid-impacted filter media is associated with a higher pressure loss compared to dry operation, which requires an increased fan output. The advantage, on the other hand, is a significant improvement in cleaning performance, service life of the gas cleaning process according to the invention and the subsequent components.
Beschreibungen von extern benetzten Filtern finden sich z.B. in
In
In
In
In
Die vorgenannten Verfahren betreffen überwiegend einzelne Apparate zur Gasreinigung.The aforementioned methods mainly relate to individual devices for gas cleaning.
Das der Erfindung zugrunde liegende Feinreinigungsverfahren für heizwertreiche Produktgase der thermochemischen Konversion von festen Brennstoffen bezieht sich auf die Nachschaltung des erfindungsgemäßen Gasreinigungsverfahrens (Feinfilter) nach einer zumindest teilweise nassen Hauptreinigung des Produktgases. Eine Anwendung des beschriebenen Feinfilters für die Reinigung von Produktgasen der Abfallpyrolyse bzw. den Einsatz im Bereich der Medizintechnik sind nicht Gegenstand der hier beschriebenen Erfindung.The fine cleaning process on which the invention is based for product gases with a high calorific value from the thermochemical conversion of solid fuels relates to the downstream installation of the gas cleaning process (fine filter) according to the invention after an at least partially wet main cleaning of the product gas. An application of the fine filter described for cleaning product gases from waste pyrolysis or use in the field of medical technology are not the subject of the invention described here.
Ziel der Erfindung ist es, Gasreinigungsverfahren, wie sie derzeit beispielsweise in vielen Biomassevergasungsanlagen realisiert sind, sowohl durch Nachrüstung als auch bei Neuplanungen insbesondere hinsichtlich der Reinigungsleistung und des Wartungsaufwandes deutlich zu verbessern.The aim of the invention is to significantly improve gas cleaning processes, such as those currently implemented in many biomass gasification plants, both through retrofitting and in new planning, in particular with regard to cleaning performance and maintenance costs.
Erfindungsgemäß wird hierzu, wie in Anspruch 1 beschrieben und
Die durch die Erfindung zu verbessernden Gasreinigungen, zu denen (Hochleistungs-) Gaswäscher, elektrostatische Abscheider mit Vorquench und trockener oder nasser Niederschlagselektrode und andere Gaswäscher, die die geforderte Mindestvorreinigung erfüllen, gehören, beruhen alle zumindest zum Teil auf der nassen Gasreinigung.The gas cleaning systems to be improved by the invention, which include (high-performance) gas scrubbers, electrostatic precipitators with pre-quench and dry or wet collecting electrode and other gas scrubbers that meet the required minimum pre-cleaning, are all based at least in part on wet gas cleaning.
Das Abscheideprinzip des Filters bzw. Feinfilters kann sowohl in der Oberflächen-, (bevorzugt) Tiefenfiltration als auch in einer Kombination beider Prinzipien bestehen. In der einfachsten Form ist das erfindungsgemäße Gasreinigungsverfahren als dicke Schicht aus faserigem Tiefenfiltermaterial ohne zusätzliche externe Benetzung ausgeführt, bei dem die Benetzung durch die Resttröpfchen der nassen Hauptreinigungsstufe erfolgt. Darüber hinaus kann dieses Tiefenfilter zusätzlich mit einer Waschflüssigkeit kontinuierlich oder diskontinuierlich benetzt werden.The separating principle of the filter or fine filter can consist of surface filtration (preferably) depth filtration or a combination of both principles. In its simplest form, the gas cleaning process according to the invention is implemented as a thick layer of fibrous depth filter material without additional external wetting, in which wetting is effected by the residual droplets from the wet main cleaning stage. In addition, this depth filter can also be wetted continuously or discontinuously with a washing liquid.
Für den Fall, dass ein Tiefenfiltermaterial mit einer großen Menge an Waschflüssigkeit belegt wird, können große Teile der abzuscheidenden Gasbestandteile bereits in der sich ausbildenden Waschflüssigkeitsschicht abgeschieden werden. In diesem Fall kommt es, physikalisch betrachtet, zu einer Kombination aus Tiefen- und Oberflächenfiltration.If a depth filter material is covered with a large amount of scrubbing liquid, large parts of the gas components to be separated can already be separated in the scrubbing liquid layer that is forming. In this case, from a physical point of view, there is a combination of depth and surface filtration.
Vorteilhafterweise erfolgt die Einlagerung von Staub und/oder Teer vor allem in der anströmseitigen Schicht, insbesondere mit einer Schichtstärke von etwa 1 bis 2 cm. Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Feinfilters fällt auf, dass sich die Verschmutzungen überwiegend Grenzbereich zur Rohgasseite aufbauen. Dies bedeutet, dass ein durch Anstieg des Druckverlustes bedingter Wechsel des Filtermaterials überwiegend durch die dem Rohgas zugewandte Seite wenige Zentimeter dicke Schicht des verschmutzten Filtermaterials notwendig wird. Beispielsweise befinden sich bei einer von unten nach oben durchströmten Filterschicht aus drei Glaswollmatten, die im Neuzustand eine Höhe von 100 mm und ein Raumgewicht von 16 bis 25 kg/m3 haben über 50% der Ablagerungen an Staub und Teer in den untersten ein bis zwei Zentimetern.Dust and/or tar is advantageously deposited primarily in the upstream layer, in particular with a layer thickness of approximately 1 to 2 cm. When the fine filter according to the invention is operated, it is noticeable that the contamination builds up predominantly in the border area to the raw gas side. This means that a change in the filter material caused by an increase in pressure loss becomes necessary, mainly through the layer of contaminated filter material that is a few centimeters thick on the side facing the raw gas. For example, in a filter layer made of three glass wool mats with flow from bottom to top, which when new have a height of 100 mm and a density of 16 to 25 kg/m 3 , more than 50% of the dust and tar deposits are in the bottom one to two centimeters.
Der Druckverlust bei der Durchströmung des Filtermediums ist stark von Verschmutzungs- und Benetzungsgrad des Feinfiltermaterials abhängig. Generell steigt der Druckverlust mit zunehmender Anströmgeschwindigkeit und Benetzung und stark in Kombination mit zunehmender Verschmutzung. Es besteht ein komplexer Zusammenhang zwischen diesen Einflussgrößen.The pressure loss when flowing through the filter medium is highly dependent on the degree of contamination and wetting of the fine filter material. In general, the pressure loss increases with increasing inflow speed and wetting and strongly in combination with increasing contamination. There is a complex relationship between these influencing factors.
Detaillierte Beschreibungen des verwendeten Filtermaterials und dessen Regenerierung werden in den Ansprüchen beschrieben.Detailed descriptions of the filter material used and its regeneration are described in the claims.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den sonstigen Ansprüchen sowie in der folgenden Beschreibung mit Bezug zu den Zeichnungen beispielhaft dargestellt. Diese beispielhaften Darstellungen sind nicht als Einschränkung weiterer Variationen der Erfindung zu verstehen. Es zeigen in der Zeichnung:
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1 : eine prinzipielle Darstellung des Verfahrens zur Herstellung und Reinigung eines heizwertreichen Produktgases, bei der das Filter (24) einer nassen Hauptreinigungsstufe (22) nachgeschaltet ist; -
2 : eine prinzipielle Darstellung eines Filters in einer ersten Ausführung, mit senkrecht zum Gasstrom angeordnetem Filtermaterial; -
3 : eine Darstellung wie2 des Filters in einer zweiten Ausführung, mit schräg zum Gasstrom angeordnetem Filtermaterial; -
4 : eine Darstellung des Filters gemäß2 in einer dritten Ausführung, mit topfförmig ausgebildetem Filtermaterial; -
5 : eine Darstellung des Filters gemäß2 in einer vierten Ausführung, mit U-förmig ausgebildetem Filtermaterial; -
6 : eine Darstellung des Filters gemäß2 in einer fünften Ausführung, analog zu2 jedoch mit zusätzlicher externer Flüssigkeitsaufgabe; -
7 : eine Darstellung des Filters ähnlich2 in einer sechsten Ausführung, analog zu4 jedoch mit zusätzlicher externer Flüssigkeitsaufgabe; -
8 : eine Darstellung des Filters in einer siebten Ausführung, analog zu5 jedoch mit zusätzlicher externer Flüssigkeitsaufgabe; -
9 : ein Schnitt entlang der Schnittlinie VIII-VIII in8 , der die für die externe Flüssigkeitsaufgabe einsetzbare fallfilmerzeugende Ringleitung darstellt; -
10 : eine prinzipielle Darstellung des Filters in einer neunten Ausbildung, bei der das Filtermaterial in kleinen Stücken während des Betriebs zur Zuführung und Austrag über Fördereinrichtungen erneuert werden kann; -
11 : eine prinzipielle Darstellung des Filters in einer zehnten Ausführung, bei der das Filtermaterial während des Betriebs in Bahnen erneuert werden kann; -
12 : eine Darstellung des Filters in einer elften und detaillierteren Ausführung, die für die Ausführung des Filters für senkrecht zum Gasstrom angebrachtes den Gehäusequerschnitt ausfüllendes Filtermaterial, das in Richtung des Gasstromes an Packungsdichte zunimmt, mit externer Flüssigkeitsaufgabe und weiteren Peripheriekomponenten (Tropfenabscheider, Überlaufsiphon, Deckelschwenkvorrichtung, Differenzdrucküberwachung, Wasserkreislauf) zeigt; -
13 : eine prinzipielle Darstellung des Filters in einer zwölften Ausführung, analog zu12 , bei der das Filtermaterial jedoch in einzelnen Patronen eingesetzt wird; -
14 : eine prinzipielle Darstellung einer mit Filtermaterial bestückten Patrone; -
15 : eine prinzipielle Darstellung des Montagedetails einer Filterpatrone an der Kopfplatte des Filtergehäuses; -
16 : eine prinzipielle Darstellung einer Filterpatrone mit Haltegriffen und Auspressvorrichtung des Filtermaterials zur Erleichterung der Montage und Demontage der Patronen; -
17 : eine prinzipielle Darstellung von Ausführungsvarianten von Filterpatronen, hier dargestellt zum Einbau in runde Apparatequerschnitte; -
18 : eine prinzipielle Darstellung des Filters ähnlich13 , bei der jedoch zur Erhöhung der Standzeiten der Filterpatrone dünne Vorabscheiderschichten vorgeschaltet sind, die sowohl in fester als auch flexibler Form ausgebildet sein können und zumindest teilweise aus dem Hauptgasstrom genommen werden können; -
19 : eine prinzipielle Darstellung des Filters ähnlich18 , jedoch mit mehreren radialsymmetrisch angeordneten dünnen Vorabscheiderschichten, die in Richtung des Gasstromes und senkrecht zum in der Filterpatrone eingesetzten Tiefenfiltermaterial angebracht sind und im Gegensatz zu18 über eine deutlich größere Anströmfläche als die Filterpatrone verfügen und daher nicht aus dem Gasstrom genommen werden brauchen; -
20 : ein Schnitt entlang der Schnittlinie B-B in19 , der den radialsymmetrischen Aufbau der Vorabscheiderschichten mit Ein- und Ausströmkammern parallel zum Filtermaterial der Vorabscheider darstellt; und -
21 : eine prinzipielle Darstellung des Filters bei der das Filtermaterial in Kassettenform eingebracht ist und durch die eine einfache und gezielte Demontage einzelner Ebenen des Filtermaterials erfolgen kann.
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1 : a basic representation of the process for the production and purification of a product gas with a high calorific value, in which the filter (24) is connected downstream of a wet main purification stage (22); -
2 : a basic representation of a filter in a first embodiment, with filter material arranged perpendicularly to the gas flow; -
3 : a representation like2 of the filter in a second embodiment, with the filter material arranged at an angle to the gas flow; -
4 : a representation of the filter according to2 in a third embodiment, with a pot-shaped filter material; -
5 : a representation of the filter according to2 in a fourth embodiment, with a U-shaped filter material; -
6 : a representation of the filter according to2 in a fifth embodiment, analogous to2 but with additional external liquid feed; -
7 : a representation of the filter similar2 in a sixth embodiment, analogous to4 but with additional external liquid feed; -
8th : an illustration of the filter in a seventh embodiment, analogous to5 but with additional external liquid feed; -
9 : a section along line VIII-VIII in8th , which represents the falling film-generating ring main that can be used for the external liquid task; -
10 : a basic representation of the filter in a ninth embodiment, in which the filter material can be replaced in small pieces during operation for feeding and discharge via conveyors; -
11 : a basic representation of the filter in a tenth embodiment, in which the filter material can be renewed during operation in strips; -
12 : A depiction of the filter in an eleventh and more detailed version, which is used for the design of the filter for filter material that fills the housing cross section and is attached perpendicularly to the gas flow and that increases in packing density in the direction of the gas flow, with external liquid feed and other peripheral components (drop separator, overflow siphon, lid swivel device, differential pressure monitoring, water circuit); -
13 : a basic representation of the filter in a twelfth embodiment, analogous to12 , but in which the filter material is used in individual cartridges; -
14 : a basic representation of a cartridge equipped with filter material; -
15 : a basic representation of the mounting details of a filter cartridge on the top plate of the filter housing; -
16 : a basic representation of a filter cartridge with handles and squeezing device for the filter material to facilitate assembly and disassembly of the cartridges; -
17 : a basic representation of design variants of filter cartridges, shown here for installation in round apparatus cross-sections; -
18 : a basic representation of the filter similar13 , in which, however, to increase the service life of the filter cartridge, thin pre-separator layers are connected upstream, which can be designed both in solid and flexible form and can be taken at least partially from the main gas flow; -
19 : a basic representation of the filter similar18 , but with several radially symmetrically arranged thin pre-separator layers, which are attached in the direction of the gas flow and perpendicular to the depth filter material used in the filter cartridge and in contrast to18 have a significantly larger inflow area than the filter cartridge and therefore do not need to be taken out of the gas flow; -
20 : a section along section line BB in19 , which shows the radially symmetrical structure of the pre-separator layers with inflow and outflow chambers parallel to the filter material of the pre-separator; and -
21 : A basic representation of the filter in which the filter material is inserted in the form of a cassette and through which individual levels of the filter material can be dismantled easily and in a targeted manner.
Für diese gibt es zwei Alternativen. Die erste Alternative, die bevorzugt ist, verwendet einen Hochleistungswäscher, beispielsweise einen Rotationswäscher, einen Venturiwäscher, oder einen entsprechenden anderen Hochleistungsgaswäscher, der mindestens 90% der Schmutzpartikel mit einem Durchmesser von 1 µm abscheiden kann. Die zweite Alternative verwendet einen Elektrofilter, dem eine Quenche vorgeschaltet ist.There are two alternatives for this. The first alternative, which is preferred, uses a high-efficiency scrubber, such as a rotary scrubber, a venturi scrubber, or other equivalent high-efficiency scrubber capable of separating at least 90% of dirt particles with a diameter of 1 µm. The second alternative uses an electrostatic precipitator that is preceded by a quench.
Am Ausgang des Reaktors zur thermochemischen Biomassekonversion (20) verfügt das Produktgas über eine Temperatur T1, die deutlich oberhalb von 100°C liegt, und eine geringe Gasfeuchte f1. In der Hauptreinigungsstufe (22), die zumindest zum Teil nass betrieben wird, wird das Produktgas gleichzeitig stark gekühlt. Bei der ersten Benetzung des Produktgases mit Wasser verdampft ein Teil dieses Wassers. Die für die Verdampfung notwendige Wärme (Verdampfungsenthalphie) wird dem Produktgas entzogen. Gleichzeitig steigt dabei durch die Verdampfung die Feuchte des Produktgases. Dieser Abkühlungsprozess vollzieht sich so lange, bis die Feuchte des Produktgases 100% beträgt. Dieses feuchtegesättigte Gas (f2) kann keinen weiteren Wasserdampf mehr aufnehmen, so dass kein weiteres Wasser mehr verdampft wird und daher keine weitere Kühlung mehr stattfindet. Dieser Punkt wird im Allgemeinen Kühlgrenztemperatur genannt und liegt häufig im Bereich von 60 bis 70°C.At the outlet of the reactor for thermochemical biomass conversion (20), the product gas has a temperature T1 that is well above 100° C. and a low gas humidity f1. In the main cleaning stage (22), which is at least partly operated wet, the product gas is simultaneously cooled considerably. When the product gas is first wetted with water, part of this water evaporates. The heat required for vaporization (enthalpy of vaporization) is extracted from the product gas. At the same time, the humidity of the product gas increases due to the evaporation. This cooling process continues until the humidity of the product gas is 100%. This moisture-saturated gas (f2) can no longer absorb any more water vapor, so that no more water is evaporated and therefore no further cooling takes place. This point is commonly called the cooling limit temperature and is often in the range of 60 to 70°C.
Durch eine weitere Kühlstufe, die z.B. mit gekühltem Wasser betrieben wird, kann das Produktgas weiter gekühlt werden. Dies ist vorteilhaft, da bei kühleren Gastemperaturen mehr Teerbestandteile auskondensieren und somit eine bessere Reinigung des Produktgases erzielt werden kann.The product gas can be further cooled by a further cooling stage, which is operated with chilled water, for example. This is advantageous since more tar components condense out at cooler gas temperatures and thus better cleaning of the product gas can be achieved.
Am Ausgang der Hauptstufe 22 ist das Produktgas soweit gereinigt, dass die Schmutzfracht auf jeden Fall kleiner als 10% ist, vorzugsweise kleiner als 5%, insbesondere kleiner als 2%. Das Produktgas hat nun eine Temperatur T2, sie liegt höchstens im Bereich der Kühlgrenztemperatur, auf jeden Fall unter 100°C, vorzugsweise unter 65°C. Typischerweise liegt sie im Bereich 40 bis 70°C. Bevorzugte Werte sind 20 bis 50°C. Am Ausgang der Hauptstufe 22 ist das Produktgas noch mit restlichen Wassertröpfchen beladen.At the outlet of the
Diese Wassertröpfchen stammen sowohl aus der nassen Hauptstufe als auch aus kondensiertem Wasserdampf. Diese Wassertröpfchen sind der Teil, der in dem der Gaswäsche nachgeschalteten Tropfenabscheider bzw. vom elektrostatischen Abscheider nicht abgeschieden wurde. Dieser Eintrag von Restwassertröpfchen ist vorteilhaft für das nachgeschaltete Filter 24, da es hierdurch zu einer Benetzung des nachgeschalteten Tiefenfilters kommt, wodurch die weitere Gasreinigung verbessert wird.These water droplets come from both the wet main stage and from condensed water vapor. These water droplets are the part that was not separated in the droplet separator downstream of the gas scrubber or by the electrostatic precipitator. This entry of residual water droplets is advantageous for the
In der einfachsten Ausführung kann die erfindungsgemäße dicke Schicht aus faserigem Tiefenfiltermaterial (26 bzw. 26a) ohne zusätzliche äußere Flüssigkeitsbeaufschlagung eingesetzt werden (vgl.
In den
In
Zur gleichzeitigen Steigerung von Reinigungsleistung und Standzeit des erfindungsgemäßen Gasreinigungsverfahrens kann vorteilhafterweise eine zusätzliche äußere Flüssigkeitsbeaufschlagung des Filters erfolgen (vgl.
Das Tiefenfiltermaterial 26 wird vorzugsweise von einem Auflagerost 42 getragen, dieser kann reingasseitig und/oder rohgasseitig angeordnet sein.
Bei ausreichend hoher Flüssigkeitsbeaufschlagung kommt es auf dem Filtermedium 26 zur Ausbildung einer Flüssigkeitsschicht, die als Fallfilm am Filtermedium 26 herabläuft und in der ein großer Teil von Staub, Aerosolen und kondensierenden Gasbestandteilen zurückgehalten wird. Hierdurch kann eine Einlagerung in der Tiefe des Filtermaterials nur stark verlangsamt stattfinden, und die Standzeit wird somit deutlich erhöht.With sufficiently high exposure to liquid, a layer of liquid forms on the
Darüber hinaus kommt es, auch bei geringer Flüssigkeitsbeaufschlagung, auch im Inneren des Filtermediums 26 zu einer verbesserten Abscheidung, da die Filterfasern durch die Benetzung über höhere Haftkräfte verfügen und der freie Porenraum zwischen den Filterfasern durch die Flüssigkeit verringert wird.In addition, improved separation also occurs inside the
In den Beschreibungen, die das Filter 24 betreffen, wird das Gas am Eintritt in das Filter als Rohgas (dunkler Pfeil 30) und an dessen Austritt als Reingas (heller Pfeil 32) bezeichnet.In the descriptions relating to the
Die Filtermaterialien 26 liegen generell auf einer gasdurchlässigen rostähnlichen Auflage 42 auf, durch die sie z.B. gegen die Schwerkraft gehalten werden. Darüber hinaus sorgt eine zweite gasdurchlässige rostähnliche Auflage, der sogenannte Niederhalter 43, dafür, dass das Filtermaterial 26 nicht durch den betriebsbedingten Druckverlust aus der Form gebracht wird. Der Niederhalter 43 kann z.B. zum Wechsel des Filtermaterials 26 einfach demontierbar ausgeführt sein.The
Die Montage von Filtermaterialien 26 zwischen Auflage 42 und Niederhaltern 43 ist eine Standardmethode, so dass sie nicht explizit dargestellt werden muss, d.h. in
Gemäß
In
In
In
In
In
Die zusätzliche externe Benetzung kann sowohl rohgasseitig als auch reingasseitig durch Bedüsung oder Betropfung erfolgen. Als weitere Möglichkeit kommt eine Benetzung durch aufliegende Flüssigkeitsverteiler 37, wie z.B. Schlauch- oder Rohrleitungen mit Löchern, in Betracht. Darüber hinaus ist auch eine externe Benetzung des Filtermediums mit einer fallfilmerzeugenden Vorrichtung möglich, wie beispielhaft in
In
Bei rohgasseitig ausgebuchteten Filtermedien, z.B. in
Diese Variante der Fallfilmerzeugung ist beispielhaft und nicht ausschließlich zu verstehen. Darüber hinaus kann die Benetzung auch durch eine Kombination der dargestellten Varianten erfolgen.This variant of the falling film generation is exemplary and not to be understood exclusively. In addition, the wetting can also take place through a combination of the variants shown.
In
In
Darüber hinaus sind weitere Möglichkeiten zur Zuführung von frischem Filtermaterial denkbar. A) Es kann eine Rolle für frisches Material vorhanden sein und das verbrauchte Material wird in ein Abfallbehältnis in loser ungeordneter Form eingebracht. B) Frisches Filtermaterial liegt in gefalteter Form von C) Das Filtermaterial liegt als „größere Platte“ vor, von der nur jeweils ein kleiner Teil vom zu reinigenden Produktgas beaufschlagt wird. Die Regeneration des Filters erfolgt durch Weiterschieben oder -drehen der ganzen Filterplatte.In addition, other options for supplying fresh filter material are conceivable. A) There may be a roll of fresh material and the spent material placed in a waste bin in loose, disordered form. B) Fresh filter material is in folded form from C) The filter material is in the form of a “larger plate” from which only a small part is exposed to the product gas to be cleaned. The filter is regenerated by pushing or turning the entire filter plate.
Die zusätzliche externe Benetzung des Filtermediums 26 ist auch ohne explizite graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung. Diese Benetzung kann mit Wasser, Dampf, Rapsmethlyester oder einer anderen Waschflüssigkeit erfolgen, wobei Wasser bevorzugt wird.The additional external wetting of the
Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, kommen für die in
Weitere (hier nicht bildlich dargestellte) Ausführungsvarianten des Filters nach
Weitere erfindungsgemäße Varianten, die nicht explizit graphisch dargestellt sind, bestehen in der Kombination mehrerer Ebenen des Feinfilters. Diese Ebenen können teilweise trocken und mit externer Benetzung betrieben werden, wobei auch der Einsatz unterschiedlicher Waschflüssigkeiten möglich ist.Further variants according to the invention, which are not explicitly shown graphically, consist in the combination of several levels of the fine filter. These levels can be operated partially dry and with external wetting, whereby the use of different washing liquids is also possible.
Die Erfindung beinhaltet die Nachschaltung von Tropfenabscheidern nach dem Feinfilter, auch ohne dass dies explizit graphisch dargestellt wird, da die Tropfenabscheidung nach nassen Gasreinigungsverfahren zum Stand der Technik gehört und daher nicht gesondert erwähnt werden muss.The invention includes the downstream connection of droplet separators after the fine filter, even without this being explicitly represented graphically, since droplet separation after wet gas cleaning processes is part of the prior art and therefore does not have to be mentioned separately.
Die Erfindung realisiert dabei ein filterndes und verstopfungsresistentes Gasfeinreinigungsverfahren für heizwertreiche Produktgase, welche zur Energieerzeugung durch unterstöchiometrische thermochemische Konversion fester Brennstoffe erzeugt wurden, über einen Heizwert von 3 bis 20, insbesondere von 4 bis 7 MJ/m3 N verfügen und als Volumenstrom von 10 bis 40.000, vorzugsweise 20 bis 2.000 m3 N/h und insbesondere von 50 bis 1.500 m3 N/h vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass es einer Gasvorbehandlung nachgeschaltet ist, welche zumindest teilweise auf dem Prinzip der nassen Gasreinigung beruht.The invention implements a filtering and blockage-resistant fine gas cleaning process for product gases with a high calorific value, which were generated for energy production by substoichiometric thermochemical conversion of solid fuels, have a calorific value of 3 to 20, in particular 4 to 7 MJ/m 3 N and as a volume flow of 10 to 40,000, preferably 20 to 2,000 m 3 N / h and in particular from 50 to 1,500 m 3 N / h, characterized in that it is a gas pretreatment downstream, which is at least partially based on the principle of wet gas cleaning.
Das Filter 24 gemäß
Das Rohgas 30 strömt durch den Rohgasstutzen 31 in das zylindrische Gehäuse 28 und verlässt es als gereinigtes Reingas 32 durch den Reingasstutzen 33. In dem zylindrischen Gehäuse 28 befindet sich auf einem runden horizontalen Traggitter bzw. Rost 42 eine Schicht unverdichteter Mineralwolle als Filtermaterial 26, z.B. Glaswolle, Raumgewicht im unverschmutzten und trockenen Neuzustand von 12 bis 75 kg/m3, vorzugsweise 16 bis 25 kg/m3, mittleren Faserdurchmesser von etwa 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 6 µm, von etwa 10 bis 50 cm, bevorzugt 20 bis 40 cm Stärke im Neuzustand liegt.The
Oberhalb der unverdichteten Mineralwollschicht 26 befindet sich eine Schicht aus verdichteter Mineralwolle 26a, z.B. Glaswolle, ebenfalls mit einer Faserdicke von 3 bis 6 µm. Die verdichtete Mineralwolle weist gegenüber dem unverdichteten Zustand ein um den Faktor 2 bis 4 höheres Raumgewicht im Neuzustand, also etwa 50 bis 100 kg/m3 auf. Die Schichtdicke der verdichteten Mineralwolle 26a beträgt ebenfalls etwa 10 bis 50 cm, bevorzugt 20 bis 40 cm Stärke im Neuzustand.Above the non-compacted
Auf den Mineralwollschichten befindet sich ein Niederhalter 43, der die Wollschichten, auch bei dem sich im Betrieb einstellenden Differenzdruck, in ihrer Position hält. Das zu reinigende Gas durchströmt von unten die Wollschichten. Das Gas strömt von unten in die Wollschichten und wird oben gereinigt abgezogen. Die Wolle wird diskontinuierlich mit einer Waschflüssigkeit, z.B. Wasser, von oben im Gegenstrom zur Flussrichtung des Gases benetzt. Hierzu ist eine Pumpe 58 installiert, die die Waschflüssigkeit über eine Wasseraufgabevorrichtung 38 auf die obere verdichtete Wolleschicht 26a bringt. Die Wasseraufgabevorrichtung 38 kann, alternativ zu den in
Im oberen Teil des zylindrischen Gehäuses 28 kann optional eine weitere Mineralwolleschicht 26b als Tropfenabscheider vorgesehen werden. Diese unverdichtete Mineralwollschicht 26b weist eine Schichtdicke von 50 bis 100 mm auf und ein Raumgewicht im unverschmutzten und trockenen Neuzustand von 12 bis 75 kg/m3, vorzugsweise 16 bis 25 kg/m3 bei einem mittleren Faserdurchmesser von etwa 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 6 µm auf. In dieser Schicht kann optional auch Mineralwolle mit einem größeren Faserdurchmesser als 3 bis 6 µm verwendet werden.In the upper part of the
Es muss sicher gestellt sein, auch bei stark verschmutzten Wollschichten 26 und 26a, dass über die Wasseraufgabevorrichtung 38 auf die Wolle aufgegebene Wasser nicht so stark ansteigen kann, dass es über den oberen Gasauslass in das Reingas 32 kann. Durch dieses Wasser könnten Schäden im der Feinreinigung nachgeschalteten Motor entstehen.It must be ensured, even with heavily soiled wool layers 26 and 26a, that the water applied to the wool via the
Diese Sicherheit wird gewährleistet durch ein Überlaufrohr 60, dass wenige Zentimeter, z.B. 2 cm, über die obere Wollschicht 26a ragt und nach oben und unten offen ist, so dass sich kein zu hoher Wasserstand auf der oberen Wollschicht 26a aufbauen kann. Damit während des Betriebes kein Rohgas über das Überlaufrohr auf die Reingasseite gelangen kann ist das Überlaufrohr an seinem unteren offenen Ende mit einem Siphon 61 verschlossen.This safety is ensured by an
Die Wartung des erfindungsgemäßen Feinfilters erfolgt vorteilhafterweise wie folgt:
- Wenn nach längerer Betriebszeit so viel Staub und Teer im Filtermaterial eingelagert sind, dass der Druckverlust des Gasstromes über das Filtermaterial seinen Maximalwert von beispielsweise 25 mbar erreicht, wird ein zumindest teilweiser Wechsel des Filtermaterials notwendig.
- If, after a long period of operation, so much dust and tar has accumulated in the filter material that the pressure drop in the gas flow across the filter material reaches its maximum value of 25 mbar, for example, at least a partial change of the filter material becomes necessary.
Das in
Um ein Verdrehen des angehobenen oberen Gehäuseteils zu verhindern, ist am senkrechten Teil der Rohrkonstruktion 70 ein Halteblech 75 angebracht, das mit einer mit Langloch versehenen Haltelasche 76 am oberen Gehäuseteil durch eine Schraubverbindung verbunden ist.In order to prevent twisting of the raised upper housing part, a retaining
Optional und/oder ergänzend kann der Feinfilter aus mehreren Lagen Mineralwolle bestehen. In
Zum Austausch vor allem der unteren Filterschichten von 26 und 26a - zum sparsamen Umgang mit Filtermaterial - ist es optional und/oder ergänzend auch möglich, die unterste am stärkten verschmutzte Filterschicht zu entfernen und durch die zweitunterste Filterschicht zu ersetzen. Als oberste Lage wird eine saubere Lage Filtermaterial eingelegt. Dieses Durchtauschen von Filtermaterialschichten kann sowohl in der loseren Schicht 26 als auch in der stärker verdichteten Schicht 26a separat erfolgen.To exchange primarily the lower filter layers of 26 and 26a - to use filter material sparingly - it is optionally and/or additionally also possible to remove the bottom filter layer that is the most heavily soiled and to replace it with the second-bottom filter layer. A clean layer of filter material is inserted as the top layer. This exchange of filter material layers can take place separately both in the
Vorteilhaft an der in
Zur weiteren Steigerung der Wartungsfreundlichkeit wird das Gewicht der Filterelemente dadurch begrenzt, dass die einzelnen Elemente jeweils nur so groß sind, dass die Querschnittsfläche für die Gasströmung durch Auflagerost 42, Filtermaterial 26 bzw. 26a und Niederhalter 43 nicht größer als 0,15 m2 sind. Durch diese Größenbeschränkung können die Filterelemente auch im nassen und verschmutzten Zustand noch von Hand demontiert werden.To further increase the ease of maintenance, the weight of the filter elements is limited by the fact that the individual elements are only so large that the cross-sectional area for the gas flow through the
In
Das Überlaufrohr 60 kann sowohl in einem Filterelement als auch an der Kopfplatte montiert sein. In jedem Fall überragt es den Niederhalter 43 um einige Zentimeter, so dass sich auch oberhalb des Filtermaterials eine sprudelnde Wasserschicht ausbilden kann.The
In
In
Zur Erhöhung der Standzeiten des Feinfilters können zusätzliche dünne Schichten, z.B. von unverdichtetem Filtermaterial mit einem Raumgewicht im unverschmutzten und trockenen Neuzustand von 12 bis 75 kg/m3, vorzugsweise 16 bis 25 kg/m3 mit einem mittleren Faserdurchmesser von etwa 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 6 µm (26c bzw. 26d) verwendet werden, die in Durchströmungsrichtung nur wenige Zentimeter, wie 1 bis 2 cm, tief sind.To increase the service life of the fine filter, additional thin layers, e.g. of non-compacted filter material with a density in new, unpolluted and dry condition of 12 to 75 kg/m 3 , preferably 16 to 25 kg/m 3 , with an average fiber diameter of about 2 to 30 μm , Preferably 3 to 6 microns (26c or 26d) are used, which are only a few centimeters, such as 1 to 2 cm deep in the direction of flow.
Die in
Wenn einer der Haltemechanismen 90 über einen Bowdenzug 92 ausgelöst wird, lässt er die entsprechende Vorabscheiderschicht los, die sich dann aufgrund ihrer Ausstattung mit einem Gewicht 93 nach unten bewegt. Alternativ zur Gewichtsbelastung könnte die Auslösung auch über einen Federmechanismus oder über Stangen etc. erfolgen bzw. durch direktes Abziehen der Vorabscheider über den Bowdenzug 92 ohne Haltemechanismus 90 schräg nach unten erfolgen. Diese Variationen sind zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, obwohl sie ebenfalls Bestandteil der Erfindung sind.When one of the holding
Die Bowdenzüge 92 sind werden entlang des Filterelements nach oben geführt, wo sie durch gasdichte Durchführungen 96, die z.B. als Faltenbalg ausgeführt sein können, durch das zylindrische Gehäuse des Feinfilter geführt werden, so dass sie von außen z.B. über Griffe 98 ausgelöst werden können. Zur Erleichterung der Montage der Filterelemente können die Bowdenzüge mit Kupplungen 94 versehen sein.The Bowden cables 92 are guided upwards along the filter element, where they are guided through the cylindrical housing of the fine filter through gas-
In
Da trotz Vorabscheiderschichten in der Gasströmung auch die darüberliegenden Filtermaterialschichten mit Staub und Teer belastet werden, gibt es keinen linearen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Vorabscheiderschichten und der Erhöhung der Standzeiten. Darüber hinaus ist die Standzeit auch von dem Verhältnis von Staub zu Teer abhängig.Since, despite the pre-separator layers in the gas flow, the filter material layers above are also contaminated with dust and tar, there is no linear relationship between the number of pre-separator layers and the increase in service life. In addition, the service life also depends on the ratio of dust to tar.
Das Rohgas 30 gelangt durch die senkrechten radialsymmetrischen Einströmkammern 51 in die Vorabscheiderstufe, passiert die radialsymmetrischen Vorabscheider 26d und strömt durch die ebenfalls radialsymmetrischen Ausströmkammern zu den Filterpatronen 78.The
In
Das Rohgas 30 strömt von außen nach innen in die Einströmkammern 51, durch die Vorabscheider 26d in die Ausströmkammern 53 und von dort aus nach oben, aus der Bildebene heraus zu den Filterpatronen.The
Eine andere Anordnung, bei der das Gas von innen nach außen durch Einströmkammern, Vorabscheider und Ausströmkammern geleitet würde ist ebenfalls auch ohne explizite graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung. Da das Vorabscheidermaterial sehr dünn ausgeführt ist, sind auch die Flächenunterschiede zwischen An- und Abströmseite vergleichsweise gering.Another arrangement, in which the gas would be routed from the inside to the outside through inflow chambers, pre-separators and outflow chambers, is also part of the invention without an explicit graphic representation. Since the pre-separator material is very thin, the differences in area between the inflow and outflow sides are comparatively small.
Das Filtermaterial 26 bzw. 26a ist in festen Kassetten 55 bzw. 55a eingebracht, die seitlich in das Gehäuse 26 eingebracht und mit Hilfe einer Schraubverbindung 84 analog zu der Darstellung in
Der Montageöffnung gegenüberliegend sind an der Innenseite des Gehäuses Dichtungen 85 angebracht, die verhindern, dass Rohgas 30 an den Kassetten vorbei auf die Reingasseite 32 strömen kann. Die Kassetten verfügen analog zu den zuvor genannten Varianten über Auflageroste 42 und Niederhalter 43. Unterhalb der Kassetten können Wiederverteiler 99 für die herabtropfenden Waschflüssigkeit montiert sein. Diese Wiederverteiler schließen dicht mit der Gehäusewand ab, so dass sie an der Gehäusewand herablaufendes Wasser von der Wand wegführen und weiter mittig über Öffnungen gleichverteilt an die untere Ebene abgeben. Durch diese Wiederverteiler kann die Ansammlung der Waschflüssigkeit an der Gehäusewand begrenzt werden, so dass eine gleichmäßige Befeuchtung über den gesamten Querschnitt des Filtermaterials sicher gestellt ist.
Im oberen Teil von
Funktion und Betriebsweise: Das Filter 24 ist ein nasses Tiefenfilter zur Abscheidung von Partikeln aus einer thermochemischen Vergasung von Biomasse. Das Filter 24 wird einem Gasreinigungssystem für die Vorreinigung, nämlich einer nassen Hochleistungsgaswäsche als Feinfilter nachgeschaltet. Das vorgereinigte Gas hat am Filtereintritt eine Temperatur von etwa 40°C und eine relative Feuchte von 100%. Es ist mit nicht vollständig in der Vorreinigung abgeschiedenen Wassertröpfchen (von Wäschern bzw. Quench) beladen. Darüber hinaus ist das Gas mit Staubpartikeln und aus der Gasphase kondensierten Aerosolen (Teer und Wasser) beladen. Durch die Vorreinigung des Gases können hohe Standzeiten des Feinfiltermaterials erreicht werden. Die Vorreinigung soll Abscheidegrade von mehr als 90%, insbesondere mehr als 95%, für Partikel und Aerosole mit einer Größe von 1 µm erzielen.Function and mode of operation: The
Durch die Faserdichte der Wolle werden die Partikel im hohen Maße abgeschieden. Durch die Waschflüssigkeit entsteht im Betrieb ein Schaum innerhalb der Wolle, der die Abscheidung vervielfacht und zudem eine reinigende Funktion hat. Die Tiefe des Wollpaketes bewirkt eine starke Verteilung, so dass der betriebsbedingte Schmutzeintrag nur zu einem sehr langsamen Anstieg des Druckverlustes führt.Due to the fiber density of the wool, the particles are separated to a large extent. During operation, the washing liquid creates a foam within the wool, which multiplies the separation and also has a cleaning function. The depth of the wool package causes a strong distribution, so that the operational dirt entry only leads to a very slow increase in pressure loss.
Der gasseitige strömungsbedingte Differenzdruck steigt sowohl mit zunehmendem Flüssigkeitsgehalt als auch mit zunehmender Verschmutzung der Wolle, da in beiden Fällen der freie Raum zwischen den Wollfasern verringert wird.The gas-side flow-related differential pressure increases both with increasing liquid content and with increasing soiling of the wool, since in both cases the free space between the wool fibers is reduced.
Durch den Gegenstrom der Flüssigkeit zur Gasrichtung ist eine effektive Abreinigung der Wolle gegeben. Das Gas strömt von unten nach oben durch das Wollpaket und „trägt“ teilweise die Waschflüssigkeit, ein Teil fließt ab und wird differenzdruck- bzw. zeitabhängig durch die Pumpe 58 wieder aufgebracht. Das Waschmedium wird im Kreislauf- über einen Absetzbehälter 64 und einen optionalen Wasserfilter oder Hydrozyklon 66 gereinigt.The countercurrent flow of the liquid to the gas direction means that the wool is effectively cleaned. The gas flows from bottom to top through the wool pack and partly “carries” the washing liquid, a part flows off and is applied again by the
Die Größe der Anströmfläche des Wollpaketes wird so gewählt, dass pro Minute 0,2 bis 20, insbesondere 2 bis 8 (z.B. 3,7) Kubikmeter Gas pro Quadratmeter Anströmfläche durch das Wollpaket strömen. Bei Inbetriebnahme wird das Wollpaket mit etwa 35 Litern Waschflüssigkeit pro Quadratmeter Anströmfläche befeuchtet. Die Nachbefeuchtung im Betrieb beträgt 0,5 bis 10, insbesondere 2 bis 5, Liter pro Quadratmeter Anströmfläche und Stunde. Der Druckverlust liegt im Betrieb im Bereich von 10 bis 25 Millibar und steigt mit zunehmender Beladung des Tiefenfiltermaterials während der Betriebszeit an.The size of the inflow area of the wool pack is selected so that 0.2 to 20, in particular 2 to 8 (e.g. 3.7) cubic meters of gas per square meter of inflow area flow through the wool pack per minute. When it is put into operation, the wool pack is moistened with around 35 liters of washing liquid per square meter of flow area. The rewetting during operation is 0.5 to 10, in particular 2 to 5, liters per square meter of inflow area and hour. The pressure loss during operation is in the range of 10 to 25 millibar and increases with increasing loading of the depth filter material during the operating time.
Das Filter 24 wurde entwickelt und zugefügt, da es mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich ist, wirtschaftlich, sicher und dauerhaft die Gasreinheit auf ein Maß zu bringen, welche den Anforderungen heutiger Verbrennungsmotoren, insbesondere Turbomotoren, entspricht. Insbesondere werden dadurch Verunreinigungen und Ablagerungen im Ansaugtrakt der Motoren vermieden und der Verschleiß wird reduziert.The
Das Filter ist für den Dauerbetrieb geeignet, da sich durch die Auswaschung von Partikeln die Wartungsintervalle auf ein bis mehrere Monate verlängern lassen.The filter is suitable for continuous operation, since the maintenance intervals can be extended to one to several months by washing out particles.
Für den Wechsel der Wolle kann das Filter durch eine Bypassleitung aus dem Gasstrom genommen werden, ohne dass die gesamte Vergasungsanlage hierfür außer Betrieb genommen werden muss. Eine schnell durchgeführte Filterwartung führt, aufgrund der installierten Vorreinigung, zu vernachlässigbaren Verschmutzungen des nachgeschalteten Verbrennungsmotors. Ebenfalls kann bei mehreren parallel zueinander geschalteten Filtern eine Wartung im laufenden Betrieb erfolgen. Hierzu wird das zu wartende Filter aus dem Gasstrom genommen. Die übrigen Filter werden während dieser Zeit mit einem höheren zu reinigenden Gasstrom betrieben.To change the wool, the filter can be removed from the gas flow through a bypass line without having to shut down the entire gasification plant. Due to the installed pre-cleaning, fast filter maintenance leads to negligible contamination of the downstream combustion engine. Maintenance can also be carried out during operation if several filters are connected in parallel. To do this, the filter to be serviced is removed from the gas flow. During this time, the other filters are operated with a higher gas flow to be cleaned.
Insbesondere durch eine nasse Gaswäsche zur Vorreinigung des Gases können, im Gegensatz zu elektrostatischen Abscheidern, wirksame Explosionszündquellen vermieden werden. Nasswäscher stellen darüber hinaus auch bei Verpuffungen im Vergaser eine Ausbreitungssperre für Flammenfronten dar.In contrast to electrostatic precipitators, effective explosion ignition sources can be avoided in particular by means of wet gas scrubbing for pre-cleaning of the gas. Wet scrubbers also block the spread of flame fronts in the event of a deflagration in the gasifier.
Bei der thermochemischen Vergasung von Holz muss das Gas vor dem motorischen Einsatz von Staub und Teer gereinigt werden. Beim Einsatz anderer Biomasse für die thermochemische Vergasung kann das Gas darüber hinaus mit weiteren Stoffen, wie z.B. Ammoniak oder Harnstoff, verunreinigt sein. Der Eintrag von Ammoniak kann im Motor zu starken Korrosionserscheinungen führen.In the thermochemical gasification of wood, the gas must be cleaned of dust and tar before it can be used in engines. When using other biomass for thermochemical gasification, the gas can also be contaminated with other substances such as ammonia or urea. The entry of ammonia can lead to severe corrosion in the engine.
Ebenfalls kann im Verbrennungsmotor, durch den Eintrag von Ammoniak und Harnstoff, durch De-Novo-Synthese Lachgas gebildet werden. Lachgas ist ein etwa dreihundertmal so starkes Treibhausgas wie Kohlendioxid. Darüber hinaus geht es in die Stickoxidbilanz bei der Emissionsmessung des Motorenabgases ein.Nitrous oxide can also be formed in the combustion engine through de novo synthesis through the entry of ammonia and urea. Nitrous oxide is a greenhouse gas about three hundred times stronger than carbon dioxide. In addition, it is included in the nitrogen oxide balance when measuring the emissions of the engine exhaust.
Ammoniak kann mittels saurer Waschflüssigkeit (z.B. mit Schwefelsäure angesäuertem Waschwasser) abgeschieden werden. Hierbei bildet sich gut wasserlösliches Ammoniumsulfat. Harnstoff ist ebenfalls gut wasserlöslich.Ammonia can be removed using an acidic scrubbing liquid (e.g. scrubbing water acidified with sulfuric acid). This forms readily water-soluble ammonium sulfate. Urea is also readily soluble in water.
Der Waschflüssigkeitskreislauf kann durch Ausschleusung eines Teilstromes und Nachspeisung von frischer Waschflüssigkeit regeneriert werden. Da sowohl Ammoniumsulfat als auch Harnstoff in der Landwirtschaft als Stickstoffdünger verwendet werden, bestehen sinnvolle Einsatzmöglichkeiten für den ausgeschleusten Teilstrom der Waschflüssigkeit.The washing liquid circuit can be regenerated by discharging a partial flow and feeding in fresh washing liquid. Since both ammonium sulphate and urea are used as nitrogen fertilizers in agriculture, there are sensible uses for the discharged partial flow of the washing liquid.
Vorzugsweise hat die Hauptstufe 22 zumindest einen Gaswäscher, insbesondere Hochleistungsgaswäscher, wobei zur Gruppe der Gaswäscher alle Hochleistungsgaswäscher und zudem Dynamikwäscher, benetzte Ventilatoren, Füllkörperkolonnen (z.B. auch mit Holzwolle oder -späne als Füllkörper), Sprühwäscher und Quenchen gehören. Zur Gruppe der Hochleistungsgaswäscher werden ein- oder mehrstufige Rotationswäscher, Venturiwäscher (insbesondere mit fester oder verstellbarer Venturikehle bzw. verstellbarem Kehlenquerschnitt), Multiventuriwäscher, Desintegrationswäscher und Bayer-Reither-Wäscher gezählt.The
Die zusätzliche externe Flüssigkeitsbeaufschlagung kann in Gleich-, Gegen- oder Kreuzstromrichtung zum Gasfluss stattfinden. Die zusätzliche externe Flüssigkeitsbeaufschlagung kann mit Wasser, Heizöl, Pflanzenöl, Biodiesel oder einer anderen Flüssigkeit stattfinden. Optional sind mehrere Filterebenen vorhanden, in denen zumindest zum Teil unterschiedliche Benetzungsflüssigkeiten eingesetzt werden. Optional ist mindestens einer Stufe, z.B. dem Filter 24, ein Tropfenabscheider nachgeschaltet. Optional besteht das Filtermaterial zumindest überwiegend aus kleinteiligem Material, wie z.B. (Aktiv-)kohle, Blähton, Schaumstoff, kleinteiligem Filtermaterial. Vorzugseise ist das Filtermaterial 26 austauschbar, insbesondere während des Betriebes erneuerbar. Vorzugseise wird Filtermaterial mit einer mittleren Schichtdicke von mindestens 2 Millimeter, insbesondere von mehr als 50 Millimeter verwendet wird und insbesondere mit 20 bis 40 cm Schichtdicke verwendet. Daten Glaswolle (www.isover.de): Raumgewichte unverdichtet: im unverschmutzten und trockenen Neuzustand von 12 bis 75 kg/m3, vorzugsweise 16 bis 25 kg/m3 mit einem mittleren Faserdurchmesser von etwa 2 bis 30 µm, vorzugsweise 3 bis 6 µm. Raumgewichte verdichteter Glaswolle: bis 80 kg/m3 (unter anderem für Anwendungen, die eine erhöhte Druckfestigkeit erfordern, wie bei der Dachisolation). Daten Steinwolle (www.rockwool.de): Raumgewichte unverdichtet: 30 bis 40 kg/m3. Mittlerer Faserdurchmesser: 2 bis 9 µm. Raumgewichte verdichteter Steinwolle: 80 bis 170 kg/m3 (Anwendung für Brandschutz und Schallisolierung), wie im Filter 24 eingesetzt. Der Druckverlust, wie vom Sensor 62 erfasst, beträgt: Trockene Betriebsweise: sauberer Zustand: 1 mbar, verschmutzter Zustand kurz vor Wechsel: 7 mbar. Nasse Betriebsweise: Druckverlust von 25 mbar (Spanne: 15 bis 50 mbar).The additional external liquid impingement can take place in co-current, counter-current or cross-current direction to the gas flow. The additional external liquid impact can take place with water, fuel oil, vegetable oil, biodiesel or another liquid. Several filter levels are optionally available, in which at least some different wetting liquids are used. Optionally, at least one stage, eg the
Die Verteilung der Verschmutzung innerhalb des Filtermaterials ist wie folgt:
- Zur Bestimmung des Verschmutzungsvorganges wurden drei Glaswollmatten, die im Neuzustand eine Höhe von 100 mm und ein Raumgewicht von 16 bis 25 kg/m3 haben, zur Feinreinigung von Holzgas eingesetzt. Aus den drei Matten wurden gleichgroße Probestücke geschnitten und getrocknet. Die Trocknung erfolgte bei Raumtemperatur mit einem Trocknungsmittel, da bei thermischer Trocknung mit einem hohen Verlust an leichter flüchtigen Teerbestandteilen zu rechnen wäre. Durch Bestimmung der Materialdichten der verschmutzten im Vergleich zu einer sauberen Glaswollmatten wurde die Einlagerung von Staub und Teer in den einzelnen Materialtiefen bestimmt. Von der Rohgasseite aus betrachtet wurden in den ersten 10
bis 20 mm etwa 55%, in den ersten 100 mm etwa 30%, zwischen 100 und 200 mm gut 10% und zwischen 200 und 300 mm etwa 5% der insgesamt abgeschiedenen Mengen an Staub und Teer nachgewiesen (die Höhenangaben beziehen sich auf den sauberen Einbauzustand, das Zusammensinken des Filtermaterials wird für diese Betrachtung bewusst vernachlässigt).
- To determine the contamination process, three glass wool mats, which when new had a height of 100 mm and a density of 16 to 25 kg/m 3 , were used for fine cleaning of wood gas. Sample pieces of the same size were cut from the three mats and dried. The drying took place at room temperature with a desiccant, since thermal drying involves a high loss of more volatile tar components would be expected. By determining the material densities of the soiled in comparison to a clean glass wool mat, the storage of dust and tar in the individual material depths was determined. Viewed from the raw gas side, about 55% of the total separated dust and Tar detected (the height information relates to the clean installation condition, the collapse of the filter material is deliberately neglected for this consideration).
Der Druckverlust über die Filterschichten ist beispielhaft wie folgt gegeben:
- Bei sauberer Glaswolle (drei Schichten à 100 mm, 16 bis 25 kg/m3) steigt der Druckverlust bei Durchströmung des trockenen sauberen Materials nur geringfügig an. Bei einer Gasflussrate von 3 m/Min. Beträgt der Druckverlust knapp 0,5 mbar (Prüfen O-Daten) und steigt bei einer Verdoppelung der Anströmgeschwindigkeit nur auf gut 1 mbar (Prüfen, O-Daten) an. Bei einmaliger Benetzung der sauberen Glaswolle mit 25 Litern Wasser pro Quadratmetern Anströmfläche erhöht sich der Druckverlust nur geringfügig gegenüber dem trockenen Zustand. Selbst bei Verdoppelung der Benetzung erhöht sich der Druckverlust für die beiden Anströmgeschwindigkeiten gegenüber dem trockenen Zustand nur um etwa 1 mbar.
- With clean glass wool (three layers of 100 mm each, 16 to 25 kg/m 3 ), the pressure drop when flowing through the dry, clean material increases only slightly. At a gas flow rate of 3 m/min. The pressure loss is just under 0.5 mbar (test O data) and only rises to a good 1 mbar when the inflow speed doubles (test, O data). If the clean glass wool is wetted once with 25 liters of water per square meter of inflow area, the pressure loss increases only slightly compared to the dry state. Even if the wetting is doubled, the pressure loss for the two inflow velocities increases by only about 1 mbar compared to the dry state.
Bei einer mäßig stark verschmutzten Gaswollschicht (Original: drei Schichten à 100 mm, 16 bis 25 kg/m3, insgesamt ca. 80 kg/m3 Staub und Teer, abgetrocknet, jedoch mit Restfeuchte) liegt der Druckverlust nach durch Lagerung getrockneten Matten ohne zusätzliche Benetzung bei einer Anströmgeschwindigkeit von 3 m/Min mit 4,5 mbar bereits deutlich höher als bei den sauberen Matten. Durch zusätzliche Benetzung mit 50 Litern Wasser pro Quadratmeter Anströmfläche steigt der Druckverlust bei dieser Anströmgeschwindigkeit auf über 6 mbar.With a moderately heavily soiled gas wool layer (original: three layers of 100 mm each, 16 to 25 kg/m 3 , a total of approx. 80 kg/m 3 of dust and tar, dried, but with residual moisture), the pressure loss after mats dried through storage is zero additional wetting at an inflow speed of 3 m/min with 4.5 mbar is already significantly higher than with the clean mats. Additional wetting with 50 liters of water per square meter of inflow area increases the pressure drop to over 6 mbar at this inflow speed.
Die Reingasmessung ist wie folgt gegeben:
- Zur Bestimmung der Abscheideleistung der erfindungsgemäßen Feinreinigung wurden Messungen eines externen Dienstleisters an einer Holzgasanlage durchgeführt.
- To determine the separation efficiency of the fine cleaning according to the invention, measurements were carried out by an external service provider on a wood gas plant.
Die Holzgasanlage besteht im Wesentlichen aus einem 70 kWel Holzvergaser nach dem Prinzip Imbert und einer nassen Vorreinigung des Gases mit wasserbeaufschlagten Rotationswäschern. Bei diesen Messungen wurde der Gehalt an Staub und Teer im Reingas als Summenparameter bestimmt. Hierzu wurden gemäß den Vorschiften der VDI-Richtlinie 2066/1 isokinetisch Gasproben aus dem Reingas genommen. Die Entnahmefilter wurden bei Raumtemperatur mit einem Trocknungsmittel getrocknet um den Verlust an leicht flüchtigen organischen Teerbestandteilen zu minimieren. Es wurden Reingaswerte bis unter 0,5 mg/ m3 N nachgewiesen. Selbst kurz nach einem Neustart der Anlage betrugen die Reingaswerte noch unter 1 mg/ m3 N.The wood gas system essentially consists of a 70 kW el wood gasifier based on the Imbert principle and a wet pre-cleaning of the gas with water-loaded rotary washers. During these measurements, the content of dust and tar in the clean gas was determined as a cumulative parameter. For this purpose, isokinetic gas samples were taken from the clean gas in accordance with the provisions of the VDI guideline 2066/1. The extraction filters were dried at room temperature with a desiccant to minimize the loss of volatile organic tar components. Clean gas values of less than 0.5 mg/m 3 N were detected. Even shortly after the plant was restarted, the clean gas values were still below 1 mg/m 3 N .
Die Entnahme des Rohgases am Holzvergaser konnte konstruktionsbedingt nicht isokinetisch erfolgen. Daher wurden hier die Gasproben außerhalb des Regelwerks der VDI-Richtlinie 2066/1 genommen. Der Mittelwert der gezogenen Gasproben wies eine Staub- und Teerbeladung von gut 2 g/ m3 N auf. Die auf die Mittelwerte der Roh- und Reingasmessungen bezogene Reinigungsleistung beträgt damit 99,97%.Due to the construction, the extraction of the raw gas from the wood gasifier could not be done isokinetically. Therefore, the gas samples were taken here outside of the rules of the VDI guideline 2066/1. The mean value of the gas samples taken showed a dust and tar load of a good 2 g/m 3 N. The cleaning performance based on the mean values of the raw and clean gas measurements is 99.97%.
Der Anmelder behält sich vor, beliebige Merkmale und Untermerkmale aus der obigen Beschreibung und/oder aus den Ansprüchen miteinander in beliebiger Weise zu kombinieren.The applicant reserves the right to combine any features and sub-features from the above description and/or from the claims with one another in any way.
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