DE102011121992B4

DE102011121992B4 - Thermochemische Holzvergasungsanlage mit Festbettreaktor mit doppelt aufsteigender Gegenstromvergasung, Gasreinigung, Gasbereitstellung, Schadstoffverwertung und Schadstoffentsorgung für den Dauerbetrieb mit Gas-Kolbenmotoren und Gasturbinen

Info

Publication number: DE102011121992B4
Application number: DE102011121992.0A
Authority: DE
Inventors: Josef Wagner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: AT512361A2; AT512361A3; AT512361B1; DE102011121992A1

Abstract

Thermochemische Holzvergasungsanlage (15) zur autothermen Erzeugung von energetisch nutzbaren Gasen (14) aus Biomasse (1), insbesondere Holz, Holzspäne, Rinde, Klärschlamm, Hackschnitzel, Pellets, imprägniertem oder behandeltem Holz, Kompostabfällen, vergasbaren Industrieabfällen, holz- oder celluloseähnlichen chemischen Verbindungen, Halmgut oder ähnlichem, in einem Festbettreaktor (3) bei Temperaturen zwischen 150–900°C, mit angeschlossener Gasreinigungseinrichtung, zur ausreichenden Reinigung von Gas (14) zu dessen Nutzung in Gaskolbenmotoren, Gasturbinen und anderen gasbetriebenen Einrichtungen, wobei die Gasreinigungseinrichtung über eine im oberen Anteil des Festbettreaktors (3) angeordnete Gasleitung mit diesem verbunden ist und mindestens drei verschiedene Reinigungselemente umfasst, welche ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Zyklonabscheider, Kondensator, Katalysator, Destillationseinrichtung, Elektrolyseur, Elektrodialyse-Separator, Absorptionswäscher (34) und Tropfenabscheider (45) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochemische Holzvergasungsanlage (15) einen Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum (22) umfasst, in welchem aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) abgetrennte Verunreinigungen, insbesondere höhermolekulare Anteile der gesamten abgetrennten Verunreinigungen wie Holzteer, langkettige Kohlenwasserstoffe und andere, thermisch aufarbeitbar sind, wobei der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum (22) Kammern (26, 27) aufweist, welche sowohl durch aus dem Festbettreaktor (3) abgeführte Wärme als auch zusätzlich durch andere Energiequellen beheizbar sind, um die aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) abgetrennten Verunreinigungen zu verschwelen und/oder zu verdampfen, und wobei der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum (22) über eine thermisch isolierte Gasleitung (23) mit dem Festbettreaktor (3) verbunden ist, über welche die verschwelten und/oder verdampften aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) abgetrennten Verunreinigungen dem Reaktorinneren zur weiteren energetischen Nutzung zuführbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die thermochemische Holzvergasungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die zunehmende Verknappung fossiler Energiequellen (hauptsächlich Erdöl und Kohle) sowie die damit verbundenen Preisanstiege für diese Energieträger machen es wünschenswert, alternative Möglichkeiten zur Wärme- und Kraftgewinnung zu erschließen. Weltweit wird daher nach Lösungen gesucht, den Verbrauch der fossilen Energiequellen reduzieren zu können um so weit wie möglich regenerative Energien nutzen zu können. Dies ist insbesondere in Bezug auf den Klimaschutz und dabei insbesondere auf die CO₂-Emmission wünschenswert.
Der gestiegene Energiebedarf insbesondere der stark industrialisierten Regionen kann bisher noch nicht allein unter Ausnutzung der Sonnen-, Wind- und Wasserkraft bereitgestellt werden. Es ist daher auch die Nutzung sonstiger, umweltfreundlicher Energiequellen, wie insbesondere die der nachwachsenden Rohstoffe als Energiequelle zur Strom- und Wärmeenergiegewinnung notwendig.
Obwohl Holz schon seit Urzeiten vom Menschen zur Energiegewinnung genutzt wird, ist dieser Rohstoff auch weiterhin eine attraktive Energiequelle, welche z. B. in Wäldern anfällt oder auch in Kurzumtriebsplantagen in großen Mengen bereit gestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung wird daher am Beispiel von Holz als nachwachsendem Rohstoff beschrieben, wobei andere nachwachsende Rohstoffe wie halmgutartige Biomasse (z. B. Getreide- oder Maisstroh und andere Restprodukte des landwirtschaftlichen Getreideanbaus), Riesen-Chinaschilf (Miscanthus), organische Industrie- und Haushaltsabfälle, Pflanzenöle, Stärke, tierische Exkremente (Gülle, Festmist) und andere ebenfalls möglich sind. Die Energiegewinnung aus Biomasse, insbesondere aus tierischen Exkrementen durch anaerobe Gärung und durch Hefegärung ist nicht Gegenstand der Erfindung.
Die energetische Nutzung von Holz durch Verbrennung zur Erzeugung von Strom- und Wärmeenergie liefert auch in modernen Heiz- und Heizdampfkraftwerken Strombeuten von bis zu etwa 40%.
Die Verbrennung von Holz und anderer brennbarer Biomasse mit offener Flamme läuft immer in mehreren Schritten ab, wobei in einem ersten Schritt das Holz durch die Hitze des das Holz umgebenden Feuers verschwelt (vergast) wird. Erst in einem folgenden Schritt werden die entstandenen Schwelgase vollständig verbrannt. Dabei ist zu beachten, dass der erste Schritt (also die Verschwelung (Vergasung)) unter Sauerstoffmangel (unvollständige Verbrennung) erfolgt und der zweite (Verbrennungs-)Schritt unter Sauerstoffüberschuss erfolgt (vollständige Verbrennung).
Bei der Verbrennung in einem konventionellen Ofen oder ähnlichem dehnen sich die Verbrennungsgase stark aus. Die damit verbundene Energie wird durch derartige offene Systeme ungenutzt in die Umgebung abgegeben. In geschlossenen Systemen wie z. B. in einer Verbrennungskammer eines Gasmotors kann diese Energie zur Gewinnung von Bewegungsenergie genutzt werden und diese z. B. in elektrische Energie umgewandelt werden.
Aus der DD 2 75 879 A1 ist ein Gegenstromholzgasgenerator mit einem verringerten Anteil an Teerstoffen im erzeugten Brenngas bekannt, welcher ohne Energiezufuhr und zusätzliche nachgeschaltete Einrichtungen ein umweltfreundliches und in Verbrennungskraftmaschinen betreibbares Gas erzeugt. Dabei sind zur Gasreinigung lediglich im Kopf eines Vergasers gekühlte Prallplatten vorgesehen, welche das Gas reinigen. Das dabei entstehende Kondensat kann entsprechend abgeleitet werden.
Aus der AT 507 068 B1 ist eine Anlage zur Erzeugung von Holzgas bekannt, wobei der Holzgasreaktor als Festbettgenerator ausgebildet ist und nach dem Prinzip der Querstromvergasung arbeitet. Der Holzgasreaktor umfasst einen Brennstoffraum und einen Gasraum, wobei der Brennstoffraum und der Gasraum getrennt voneinander angeordnet sind. Das Holzgas wird mittels eines Gebläses mit Zentrifugalwirkung durch den Zyklon, den Nassreiniger und Feinfilter zur Reinigung und Kühlung geleitet.
Des Weiteren ist aus der AT 504 862 A1 eine Holzvergasungsanlage bekannt, welche einen Vergaser und einen dem Vergaser nachgeordneten Filter sowie einen dem Filter nachgeordneten Kondensator aufweist. Dabei ist eine zweistufige Gasreinigung durch den Filter und den Kondensator vorgesehen. Nach der Reinigung liegt ein Gas vor, welches in einem Blockheizkraftwerk mit einer Verbrennungskraftmaschine in elektrische und thermische Energie gewandelt wird.
Aus der CH 230 468 A ist eine Vorrichtung zur Reinigung von vorzugsweise aus Holz oder Torf erzeugtem Generatorgas bekannt. Das Gas wird zunächst bis zur teilweisen Wasserabscheidung gekühlt und dann wieder auf eine solche Temperatur erhitzt, dass es nicht mehr von Dampf gesättigt ist. Dadurch ist eine Reinigung des Gases durch einen Feinfilter möglich, ohne dass die Gefahr besteht, dass dieser verstopft. Vor dem Feinfilter wird das Gas durch einen Zyklonreiniger, einen Nassreiniger und einen Grobfilter gereinigt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine thermochemische Holzvergasungsanlage zur autothermen Erzeugung von energetisch nutzbaren Gasen aus Biomasse bereitzustellen, welche die Vergasung der Biomasse im Festbettreaktor ermöglicht und diese räumlich und zeitlich von der anschließenden Verbrennung der Schwelgase entkoppelt, wobei die Verbrennung möglichst unter Ausnutzung der Volumenänderung des Gases erfolgen soll, um höhere Gesamtenergieausbeuten zu erreichen.
Um auch die Abwärme effizient nutzen zu können, wäre es sinnvoll, viele kleinere Blockheizkraftwerke bereitzustellen, die diese Aufgabe lösen, da dadurch eine Wärmeauskopplung z. B. zur Heizung oder der Warmwassererzeugung in einer, oder auch mehreren Wohneinheiten zu ermöglichen. Eine derartige dezentrale Verteilung kleinerer Blockheizkraftwerke könnte die Mengen an fossilen Heiz- und Kraftstoffen, welche zur Bereitstellung von Strom, Wärme und Warmwasser in den umgebenden Wohneinheiten benötigt wird, deutlich reduzieren, was einen besonders positiven Beitrag zum Umweltschutz und insbesondere für die CO₂-Emission bedeuten würde.
Die oben genannte Aufgabe wird durch eine thermochemische Holzvergasungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße thermochemische Holzvergasungsanlage zur autothermen Erzeugung von energetisch nutzbaren Gasen aus Biomasse, insbesondere Holz, Holzspäne, Rinde, Klärschlamm, Hackschnitzel, Pellets, imprägniertem oder behandeltem Holz, Kompostabfällen, vergasbaren Industrieabfällen, holz- oder celluloseähnlichen chemischen Verbindungen, Halmgut oder ähnlichem, in einem Festbettreaktor bei Temperaturen zwischen 150–900°C, mit angeschlossener Gasreinigungseinrichtung, zur ausreichenden Reinigung von Gas zu dessen Nutzung in Gaskolbenmotoren, Gasturbinen und anderen gasbetriebenen Einrichtungen, wobei die Gasreinigungseinrichtung über eine im oberen Anteil des Festbettreaktors angeordnete Gasleitung mit diesem verbunden ist und mindestens drei verschiedene Reinigungselemente umfasst, welche ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Zyklonabscheider, Kondensator, Katalysator, Destillationseinrichtung, Elektrolyseur, Elektrodialyse-Separator, Absorptionswäscher und Tropfenabscheider umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass die thermochemische Holzvergasungsanlage einen Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum umfasst, in welchem aus dem energetisch nutzbaren Gas abgetrennte Verunreinigungen, insbesondere höhermolekulare Anteile der gesamten abgetrennten Verunreinigungen wie Holzteer, langkettige Kohlenwasserstoffe und andere, thermisch aufarbeitbar sind, wobei der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum Kammern aufweist welche sowohl durch aus dem Festbettreaktor abgeführte Wärme als auch zusätzlich durch andere Energiequellen beheizbar sind, um die aus dem energetisch nutzbaren Gas abgetrennten Verunreinigungen zu verschwelen und/oder zu verdampfen, und wobei der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum über eine thermisch isolierte Gasleitung mit dem Festbettreaktor verbunden ist, über welche die verschwelten und/oder verdampften aus dem energetisch nutzbaren Gas abgetrennten Verunreinigungen dem Reaktorinneren zur weiteren energetischen Nutzung zuführbar sind.
Eine derartige thermochemische Holzvergasungsanlage ermöglicht es, die Vorteile der aufsteigenden Gegenstromvergasung im Festbettreaktor trotz dem nach dem Stand der Technik damit verbundenen hohen Schadstoffanteil im ungereinigten erzeugten Rohgas insbesondere in Kombination mit einer Gasturbine zur Nutzung des erzeugten Gases (Synthesegas) z. B. zur Stromerzeugung zu nutzen. Die aufsteigende Gegenstromvergasung im Festbettreaktor ermöglicht so z. B. eine höhere Gasausbeute und die Verwendung von nassem oder feuchtem Vergasungsgut bis zu 60% rel. Feuchtigkeitsgehalt bezogen auf das Trockengewicht. Darüber hinaus ist außer stückigem Vergasungsgut auch kleinkörniges Vergasungsgut, wie z. B. Sägemehl und Sägespäne, Rindenstückgut, Halmgut und andere als Biomasse-Rohstoff verwendbar.
Die aus dem Stand der Technik bekannten hohen Schadstoffanteile im Rohgas bei der aufsteigenden Gegenstromvergasung können durch die erfindungsgemäße thermochemische Holzvergasungsanlage vermieden werden. Insbesondere durch mindestens drei verschiedene Reinigungselemente umfassende Gasreinigungseinrichtung ist es möglich, das Produktgas in einer Reinheit bereitzustellen, welche es für den Betrieb von Gasturbinen und Gas-Kolbenmotoren geeignet macht. Bei den Verunreinigungen handelt es sich hauptsächlich um hochmolekulare Kohlenwasserstoffe wie Holzteere, Phenole, Kresole und andere Substanzen in geringen Mengen, sowie Wasser. Außerdem können kleine Mengen von Staubanteilen (oder auch Asche) im Rohgas vorliegen. Rohgas ist ohne aufwändige Reinigung und Aufbereitung in Gas-Kolbenmotoren nicht verwertbar. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die aus dem Rohgas abgetrennten hochmolekularen Kohlenwasserstoffe zumindest teilweise zur weiteren energetischen Nutzung verschwelt oder verdampft werden.
Der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum (Nachbehandlungseinrichtung) in welchem insbesondere die höhermolekularen Anteile der gesamten abgetrennten Verunreinigungen wie Holzteer, langkettige Kohlenwasserstoffe und andere, verschwelt und/oder verdampft werden, ist gegenüber der Umgebung durch eine Isolationsschicht thermisch abgeschirmt. Durch die aus dem Festbettreaktor abgeführte Wärme wird der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum bevorzugt bereits auf einer Temperatur erwärmt, welche bevorzugt oberhalb des Siedepunkts der niedermolekularen Verunreinigungsstoffe liegt. Aufgrund der Temperatur oberhalb der Glutzone im Reaktor von bis zu 400°C ist dies allein durch einen Wärmetauscher möglich. Der Wärmetransport aus dem Reaktor erfolgt bevorzugt durch ein Wärmeaustauschmedium, welches durch Rohrleitungen zwischen dem Reaktor und dem Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum zirkuliert. Die Verbindung mindestens einer Rohrleitung mit dem Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum ist trichterförmig aufgeweitet, um das Einströmen des Wärmeaustauschmediums zu vereinfachen. Vor oder in der trichterförmigen Rohraufweitung ist bevorzugt eine Einrichtung zum Fördern des Wärmeaustauschmediums vorgesehen. Bei gasförmigen Medien kann dies beispielsweise ein Ventilatorflügelrad sein. Angetrieben wird die Fördereinrichtung bevorzugt von einem Außerhalb des Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraums angeordneten Motor. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeaustauschmediums ist bevorzugt regelbar und so eingestellt, dass die Wärmeentnahme aus dem Reaktor den darin ablaufenden Vergasungsprozess nicht maßgeblich negativ beeinflusst. Bevorzugt erfolgt die Wärmeentnahme aus dem Reaktor daher oberhalb der Glutzone.
In dem Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum sind bevorzugt zwei Kammern angeordnet, welche bevorzugt eine thermisch leitfähige Außenwandung haben. Somit stehen sie im thermischen Geleichgewicht mit dem Innenraum des durch die Wärmeabfuhr aus dem Reaktor aufgeheizten Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum. Bevorzugt weisen die Kammern eine metallische Außenwandung auf. Eine dieser Kammern, die Verdampfungskammer, ist dafür ausgelegt, niedermolekulare Verunreinigungen, welche aus dem Produktgasstrom (z. B. durch/nach Dialyse und der Elektrolyse) abgetrennt wurden, in diese eingebracht werden können und dort thermisch nachbehandelt werden können. Niedermolekulare Verbindungen werden bevorzugt nicht chemisch umgesetzt, sondern lediglich verdampft, um gasförmig dem Reaktor zugeführt werden zu können.
Die aus dem Produktgas abgetrennten hochmolekularen Verunreinigungen, die bevorzugt schon konzentriert vorliegen, bestehen im Wesentlichen aus Holzteeren, Phenolen, Kresolen und anderen Verbindungen. Zur weiteren thermischen Behandlung dieser Substanzen ist eine weitere ähnliche Kammer innerhalb des Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraums vorgesehen, in welche diese Substanzen eingebracht werden können. In dieser Kammer, der Verschwelungskammer, kann mittels einer Zusatzheizung die Temperatur zumindest lokal weiter erhöht werden. Durch die Zusatzheizung ist es möglich, die Substanzen auf so hohe Temperaturen zu erwärmen, dass eine chemische Reaktion abläuft. Dadurch können die abgetrennten hochmolekularen Verunreinigungen wie z. B. die Holzteere verschwelt oder – bevorzugt katalytisch – gecrackt werden. Zur Heizung bietet sich unter anderem, eine einfache elektrische Stützheizung an, welche bevorzugt mit stark niedergespanntem Strom betrieben wird.
Bevorzugt weist der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum daher mindestens ein elektrisch beheizbares Element auf, welches bevorzugt in direktem Kontakt zu den aus dem energetisch nutzbaren Gas abgetrennten Verunreinigungen bringbar ist, um diese zu verschwelen und/oder zu verdampfen. Die elektrische Heizung ist bevorzugt, da sie ein besonders schnelles erwärmen des beheizbaren Elements ermöglicht. Darüber hinaus ist die Temperatur im Vergleich z. B. zu einer Gasflamme, sehr genau steuerbar. Die Verschwelten und/oder gecrackten Verbindungen können anschließend – bevorzugt gasförmig – dem Reaktor zur weiteren thermischen Verwertung zugeführt werden. Bevorzugt erfolgt die Zuführung der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsprodukte zu dem Reaktor von unten bzw. parallel zur Strömungsrichtung der weiteren zugeführten Gase. Beim Durchströmen der heißen Glutzone im Reaktor werden diese chemisch gecrackt und zu wertvollen Gasen reduziert und bereichern durch diese doppelt aufsteigende Gegenstromvergasung somit das Holzgas und erhöhen dessen Qualität bzw. dessen Brennwert. Bevorzugt ist der dadurch erzielbare Energiegewinn größer als die zum Verdampfen bzw. Verschwelen aus dem Reaktor abgeführte Wärmeenergie.
Es bietet sich an, dass der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum doppelt ausgeführt ist, um einen kontinuierlichen Betrieb des Reaktors auch bei einer ggf. notwendigen Reinigung eines Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraums aufrecht erhalten zu können.
Sollte es, z. B. bei der Vergasung von besonders feuchtem oder sonstigem ungünstigen Vergasungsgut, vorkommen, dass die Wärmezufuhr aus dem Reaktor in dem Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum nicht ausreichend ist, kann auch der gesamte Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum durch eine (weitere) zusätzliche Stützheizung beheizt werden.
Durch die thermochemische Holzvergasungsanlage mit den Einrichtungen zur Gasreinigung ist ein weitgehend störungsfreier, wartungsarmer und wirtschaftlicher Dauerbetrieb eines mit Holzgas (bzw. Synthesegas) betriebenen Gas-Kolbenmotors möglich. Durch die Rückführung abgetrennter Verunreinigungen können die Kosten für die Schadstoffentsorgung reduziert werden.
Um die zu verschwelenden oder zu verdampfenden Substanzen möglichst energieeffizient erwärmen zu können, weist in einer bevorzugten Ausführungsform der thermochemischen Holzvergasungsanlage der Festbettreaktor in einem oberen Bereich, bevorzugt im Bereich eines oberen Wandungsabschnittes, besonders bevorzugt in einen oberen Wandungsabschnitt integriert, einen gegenüber einem Vergasungsraum des Festbettreaktors gasdicht abgeschlossenen Raum auf, durch welchen ein Wärmetransportmedium führbar ist, mittels welchem Energie aus dem Festbettreaktor dem Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum zuführbar ist. Dadurch ist es bereits im Reaktor möglich, das ungereinigte Produktgas abzukühlen und so das Auskondensieren oder Ausfallen von Verunreinigungen hervorzurufen. Diese Substanzen verbleiben somit im Festbettreaktor und können gemeinsam mit neu eingebrachtem Brennmaterial bzw. neu eingebrachter Biomasse erneut dem Vergasungsprozess zugeführt werden. Dadurch vereinfacht sich die spätere Abtrennung dieser Materialien und die Menge an unter Energieaufwendung zurückzuführenden Verunreinigungen wird reduziert.
Darüber hinaus wird durch den in der Nähe der Auslassöffnung für das Produktgas angeordneten Wärmetauscher das Gas abgekühlt, so dass es in folgenden Prozessen leichter handhabbar ist.
Bevorzugt befindet sich der Raum, durch welchen das Wärmetransportmedium führbar ist im Reaktor oberhalb der Obergrenze des Vergasungsgutes. In diesem Bereich ist ein Freiraum vorgesehen, in welchem sich im Strom des im Reaktor entstehenden Gasgemisches mittransportierte Partikel oder Flüssigkeiten absetzen können. Diese fallen auf die Biomasseschüttung und werden im weiteren Prozessablauf ebenfalls thermisch verwertet. Bevorzugt weist das mit diesem Bereich verbundene Rohgasaustrittsrohr einen besonders grollen Querschnitt auf, so dass Turbulenzen bei Ausströmen des Produktgases reduziert werden.
Zur Abscheidung weiterer Verunreinigungen kann ein Heißzyklon vorgesehen sein, mittels welchem Staubpartikel aus dem Gasstrom abgeschieden werden können. Dieser Heißgaszyklon ist bevorzugt abschaltbar, kann vom Gasstrom auch umgangen werden, falls der Anteil an Staubpartikeln so gering ist, dass eine Abtrennung nicht wirtschaftlich ist.
Die mittels des Wärmetauschers aus dem Reaktor abgeführte Wärmeenergie kann genutzt werden. Natürlich besteht die Möglichkeit der energetischen Nutzung z. B. zur Heizung z. B. von benachbarten Wohneinrichtungen, zur Erzeugung von Warmwasser oder anderen. Es ist jedoch auch vorgesehen, dass zumindest zeitweise zumindest ein Teil der aus dem Reaktor abgeführten Energie einem Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum zugeführt wird. In diesem/diesen wird/werden aus dem Produktgas abgeschiedene Verunreinigungen thermisch aufgearbeitet und in Substanzen überführt, welche erneut dem Reaktor zuführbar sind. Unter Verschwelung soll auch das Cracken der hochmolekularen Substanzen verstanden werden. Dies kann (zusätzlich zur thermischen Aktivierung) auch katalysatorunterstützt erfolgen. So ist beispielsweise vorgesehen, dass Teere oder andere hochmolekulare Verbindungen, bevorzugt hochmolekulare Kohlenwasserstoffe in kleinere Kohlenwasserstoffe gespalten werden, welche dem Reaktor zur erneuten thermischen Verwertung zugeführt werden können. Als hochmolekulare Kohlenwasserstoffe werden diesbezüglich insbesondere Teere, Fette und Wachse verstanden. Insbesondere handelt es sich um (lineare oder verzweigte) Kohlenwasserstoffe mit 10 oder mehr Kohlenstoffatomen pro Molekül. Aber auch die thermische Aufarbeitung von kürzerkettigen Kohlenwasserstoffen im Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum kann notwendig sein. So ist beispielsweise Pelargonsäure (Octancarbonsäure, insgesamt 9 Kohlenstoffatome pro Molekül) erst ab Temperaturen von mehr als 250°C gasförmig, so dass es entweder mindestens auf diese Temperatur erhitzt werden muss oder im Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum zu kürzerkettigen Kohlenwasserstoffen umgesetzt werden muss, bevor es (oder dessen Folgeprodukte) gasförmig dem Reaktor zugeführt werden kann (können).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der thermochemischen Holzvergasungsanlage weist die Holzvergasungsanlage mindestens einen Kondensator und einen Elektrolyseur zur elektrolytischen Spaltung von aus dem energetisch nutzbaren Gas auskondensierten niedermolekularen Verbindungen auf, sowie zusätzlich bevorzugt einen Elektrodialyse-Separator, mittels welchem ein aus dem energetisch nutzbaren Gas abgetrenntes Kondensat vor dessen Zuführung zum Elektrolyseur in elektrisch leitende und nicht-elektrisch leitende Bestandteile trennbar ist. Die elektrolysefähigen Flüssigkeiten durchdringen die Membranwände des Elektrodialyse-Separators und werden von einem an der Membranaullenwand vorbreiführenden Lösungsmittelstrom, der nun den Elektrolyt darstellt, abtransportiert. Um die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten zu erhöhen, kann es vorteilhaft sein, diesem geeignete Zusätze wie z. B. Salz oder andere Chemikalien beizumischen. Ebenso kann es vorteilhaft sein, den Elektrolyten auf eine vorteilhafte Temperatur einzustellen, z. B. zu erwärmen.
Durch diese Ausführungsform ist es möglich, das mittels des Kondensators aus dem Gasstrom abgetrennte Kondensat aufzubereiten und auch dieses durch eine Elektrolyse in thermisch verwertbare Gase zu spalten. Dies hat diverse Vorteile, da so einerseits ein weiterer gasförmiger Energieträger bereitgestellt wird, welcher bevorzugt mit dem gereinigten Produktgas gemischt und gemeinsam mit diesem gespeichert werden kann. Insbesondere bei aus dem Rohgas auskondensierten Wasser bietet sich die Elektrolyse an, da der entstehende Wasserstoff, welcher ohnehin auch im Produktgas enthalten ist, diesem beigemischt werden kann und so der Brennwert des Produktgases weiter erhöht werden kann. Sauerstoff, welcher ebenfalls bei der Elektrolyse des kondensierten Wassers gewonnen wird, kann ebenfalls als Wertstoff weiter verwertet werden und beispielsweise zur Einstellung eines optimalen Sauerstoffgehalts des Gases genutzt werden, welches zur Verbrennung bzw. Vergasung der Biomasse in den Reaktor eingespeist wird. Durch die Erhöhung des Sauerstoffanteiles in der Verbrennungsluft kann die Menge an Frischluft reduziert werden, welche nahezu 80% Stickstoff (N₂) (im Vergleich zu lediglich etwa 20% O₂) enthält, welches im Reaktor keine Reaktionen eingeht, die zu einer Verbesserung der Qualität des Produktgases beitragen könnten. Durch den bei der Erhöhung des Sauerstoffgehalts in dem dem Reaktor zugeführten Gas kann der Stickstoffanteil sowohl im Reaktor als auch im Produktgas reduziert werden und somit das Produktgas (z. B. Holzgas) aufgebessert werden.
Im Falle einer Störung der Elektrolyse kann das Kondensat in geeigneten Sammelbehältern bevorratet werden. Da es aber bereits mehrere Reinigungsschritte durchlaufen hat und hauptsächlich aus Wasser, Essig- und Ameisensäure besteht, könnte es z. B. über eine Schüttung von Kalksteinen neutralisiert werden und der öffentlichen Kanalisation zugeführt werden. Zum Reinigen der Elektrolyseanlage ist bevorzugt Aceton vorgesehen.
Die bei der Elektrolyse verbleibenden Reste sind an den aus dem Rohgas abgeschiedenen, nicht elektrolysierbaren Verunreinigungen angereichert. Dementsprechend ist der Wasser bzw. Lösungsmittelanteil reduziert. Die thermische Verwertung nach dem Verschwelen oder Verdampfen der hochmolekularen Kohlenwasserstoffe ist somit günstiger, da weniger Lösungsmittel mitgeführt wird, welches ebenfalls unter Energiezufuhr verdampft werden muss. Idealerweise lässt sich über die Menge des zu verdampfenden Lösungsmittels, bevorzugt des Wassers, der Feuchtigkeitsgehalt im Reaktor einstellen, so dass somit auch der Anteil des im Rohgas enthaltenen Wasserstoffs (H₂) über die Wassergas-Shift-Reaktion (CO + H₂O CO₂ + H₂) beinflussbar ist. Bevorzugt ist am Fuß des Reaktors ein Abfluss vorgesehen, um Wasser, welches z. B. bei Störungen im Reaktor auskondensieren könnte, aus dem Reaktor abführen zu können.
Bevorzugt wird der Festbettreaktor von oben mit der Biomasse bzw. dem Vergasungsmaterial befüllt. Die Befüllung ist auch automatisch gesteuert möglich. Eine bevorzugte Möglichkeit der Befüllung erfolgt mittels zwei Vorratsbehältern, welche als Doppelschleuse übereinander angeordnet sind. Jeder dieser beiden Behälter ist einzeln oben und unten mit einer Klappe absperrbar. Die Größe jedes Behälters ist so bemessen, dass er mindestens eine der für die Beschickung vorgesehenen Menge an Biomasse aufnehmen kann. Der untere Behälter dieser Doppelschleuse weist zwei bevorzugt gegenüberliegende, bevorzugt verschließbare, Öffnungen mit angesetzten Rohren auf. Eines der Rohre führt von oben in den Reaktor hinein. Über das zweite Rohr ist es möglich, die in der Biomasse in der unteren Schleuse noch enthaltene Luft daraus absaugen zu können. Zum Druckausgleich kann – falls die verschließbare Öffnung offen ist – über das erste Rohr Gas aus dem Reaktor nachströmen. Diese abgesaugte Luft wird durch ein automatisch schließendes Ventil gegen Rückströmung gesichert. Da das abgesaugte Gas, bevorzugt Luft durch die Nähe zum Reaktor aufgewärmt wurde, kann es vorteilhaft sein, dieses nach dem Absaugen der Verbrennungs- bzw. Vergasungsluft beizumischen. Durch diese Schleuse ist es möglich, die im Reaktor vorliegende Gaszusammensetzung auch beim Befüllen mit Biomasse im laufenden Prozess konstant zu halten.
Wie oben erwähnt, kann es vorteilhaft sein, das dem Festbettreaktor zuführbare Gas vorzuwärmen. Bevorzugt weist daher die Halzvergasungsanlage einen Wärmetauscher auf, mittels welchem ein dem Festbettreaktor zuführbares Gas unter Ausnutzung von bei der Vergasung entstehender Energie aufwärmbar ist. Die Energie zum Erwärmen des dem Festbettreaktor zuführbaren Gases kann dabei beispielsweise dem (bevorzugt rohen) Produktgas entzogen werden. Ebenfalls ist denkbar, dass auch Teile des Wärmetransportmediums zur Erwärmung des dem Festbettreaktor zuführbaren Gases genutzt wird, mittels welchem auch Wärmeenergie aus dem Festbettreaktor dem Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum zuführbar ist.
Besonders bevorzug ist der Wärmetauscher dazu geeignet, das dem Festbettreaktor zuführbare Gas unter Nutzung der Wärme des aus dem Festbettreaktor ausströmenden energetisch nutzbaren Gases aufzuheizen, wobei das energetisch nutzbare Gas unter den Kondensationspunkt von Wasser abkühlbar ist. Dadurch kann erreicht werden, dass das im Produktgas enthaltene Wasser und evtl. auch andere Verunreinigungen auskondensieren. Dabei können durch die Tröpfchenbildung auch andere, z. B. feste Verunreinigungen wie Asche oder (Fein-)Staub, aus dem Produktgas abgetrennt werden. Der Wärmetauscher dient damit bevorzugt gleichzeitig als Kondensator der Gasreinigungseinrichtung.
Die Temperatur des aus dem Reaktor austretenden Rohgases kann z. B. bei trockenem Vergasungsgut bis zu 400°C oder mehr erreichen. Mittels des Wärmetauschers kann die durchströmende Zuluft für den Reaktor bevorzugt auf > 100°C, bevorzugt > 200°C, bevorzugt > 250°C, besonders bevorzugt > 300°C aufgeheizt werden. Je höher die Temperatur der Zuluft des Reaktors desto effizienter ist die Vergasung der Biomasse im Reaktor. Dementsprechend kann ein höherer Brennwert des Produktgases erreicht werden.
Bevorzugt ist zur weiteren Kühlung des Produktgases eine weitere Einrichtung stromabwärts des oben beschriebenen Wärmetauschers vorgesehen. Zu dessen Kühlung kann beispielsweise bereits in Sammeleinrichtungen vorgehaltenes Kondensat aus vorangegangenen Gasreinigungsprozessen, sogenanntes „schwarzes Wasser” verwendet werden. Mittels dieses Kondensators kann das Produktgas von weiteren Verunreinigungen separiert werden. Die Verunreinigungen bestehen hauptsächlich aus Wasser und anderen niedermolekularen Verbindungen wie unter anderem Essig- und Ameisensäure, können jedoch auch Teile an hochmolekularen Verbindungen wie z. B. Holzteere, Phenole, Kresole, Phenolether, Guajakol und anderen vergleichsweise geringeren Mengen enthalten.
Die Reaktorbefüllung wird, wie bereits erwähnt, bevorzugt vollautomatisch gesteuert. Als Parameter für die Initiierung eines Befüllungsvorgangs kann beispielsweise die Höhe der Materialschüttung im Reaktor herangezogen werden. Bevorzugt wird die Füllhöhe im Reaktor mittels mehrerer Sensoren bestimmt, um verlässlichere Werte zu erhalten und kritische Zustände zu vermeiden. Die thermochemische Holzvergasungsanlage weist demnach bevorzugt eine Einrichtung zur Überwachung und Steuerung des Vergasungsprozesses und/oder zur Steuerung der Frischluftzufuhr auf, welche eine Vergasung im Dauerbetrieb ermöglicht. Dies überwacht bevorzugt nicht nur den Füllstand der Biomasse im Reaktor, sondern auch andere Parameter wie z. B. die Zusammensetzung und/oder die Temperatur einzelner Gasströme, Wassergehalt im Reaktor, Wassergehalt einzelner Gasströme, Füllstände der Gasvorratsbehälter und andere.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Holzvergasungsanlage eine Destillations- oder Rektifikationseinrichtung aufweist, mittels welcher ein aus dem energetisch nutzbaren Gas abgetrenntes Kondensat in hochsiedende und niedrigsiedende Verbindungen, insbesondere in höhermolekulare und niedermolekulare Verbindungen trennbar ist, wobei diese Destillationseinrichtung bevorzugt eine fraktionierte Destillation ermöglicht. Durch eine derartige Destillationseinrichtung ist es möglich, z. B. Wasser, Essig- und Ameisensäure (Siedepunkte Wasser 100°C, Ameisensäure 101°C, Essigsäure 118°C) aus dem Kondensat abzutrennen und die Konzentration an höhermolekularen Verbindungen (z. B. Kresol Siedepunkt 191°C, Phenol 182°C, Holzteere noch höher) im Destillationssumpf zu erhöhen. Der Anteil beispielsweise der Essigsäure kann z. B. in Abhängigkeit des verwendeten Vergasungsgutes variieren. Der Anteil beträgt normalerweise weniger als etwa 13%, bevorzugt weniger als 10% bezogen auf die Gesamtmenge der aus dem Produktgas auskondensierbaren Flüssigkeiten. Falls ein Elektrolysator zur Elektrolyse und/oder Reinigung des Kondensats vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, die Destillationseinrichtung stromabwärts bezüglich des Elektrolysators anzuordnen, da so die bei der Elektrolyse verbleibende Flüssigkeit zur weiteren Nutzung einzelner Bestandteile weiter aufgeteilt werden kann. Bevorzugt wird der Destillationssumpf zur Verschwelung oder Verdampfung dem Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum zugeführt.
Zur weiteren Reinigung des Produktgases wird dieses bevorzugt durch eine Gas-Nasswäsche (z. B. in einem Absorptionswäscher, bevorzugt mit Tropfenabscheider) weiter gereinigt. Als Absorbens bietet sich Kondensat aus der Gasreinigung (schwarzes Wasser) an, da dieses eine größere Affinität gegenüber den Verunreinigungen ausweist als reines Wasser. Jedoch können auch andere Absorbentien, wie z. B. reines Wasser oder Wasser mit die Absorption verbessernden Zusätzen, verwendet werden. Weiterhin können auch unpolare Substanzen wie z. B. Dieselkraftstoff, leichtes Heizöl oder Pflanzenölmethylester (PME), wie z. B. Rapsmethylester (RHE), als Absorbens, evtl. in einer weiteren zusätzlichen Absorptionseinrichtung verwendet werden. Für einen kontinuierlichen Betrieb wird ein Vorrat an Kondensat (schwarzem Wasser) in geeigneten Behältnissen (z. B. Sammel- und Absetzbecken) bevorratet.
Bevorzugt weist die thermochemische Holzvergasungsanlage eine Einrichtung zum Komprimieren der energetisch nutzbaren Gase auf. Weiter bevorzugt weist sie zusätzlich mindestens ein Reservoir, besonders bevorzugt mindestens eine aufblasbare Kunststoffhülle, für nicht komprimierte Gase auf, mittels welchem energetisch nutzbare Gase vor deren Komprimierung lagerbar sind. Dadurch ist es möglich, die thermochemische Holzvergasungsanlage im Dauerbetrieb laufen lassen zu können und trotzdem die Leistung der die Produktgase nutzenden Gasturbinen bzw. Gas-Kolbenmotoren dem jeweiligen Strombedarf anpassen zu können.
Eine solche Holzvergasungsanlage mit doppelt aufsteigender Vergasung im Festbettreaktor ermöglicht die Vergasung einer Vielzahl von Vergasungsmaterialen verschiedener gebräuchlicher Stückgrößen und auch feinkörniger Materialen, wie z. B. Säge- und Hobelspäne bis zu einem Masseanteil Von ca. 50% sowie auch Rindenmaterial, Hackschnitzel, Holz-Pellets und ähnliches. Durch die intensive Aufbereitung des Produktgases ist es auch möglich, andere Biomasse wie z. B. Abfallstoffe, getrockneter Klärschlamm oder auch verschiedene Industrieabfälle, die eine ähnliche chemische Zusammensetzung von Kohlenwasserstoffen haben, durch diese Anlage thermisch zu verwerten. Ein weiterer Vorteil ist, dass auch feuchtes Vergasungsgut bis ca. 40–50% rel. Feuchtigkeit vergast werden kann, wohingegen bei Anlagen aus dem Stand der Technik nur Holz mit einer rel. Feuchtigkeit von ca. 20% vergast werden kann.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfinndung ist ein thermochemisches Holzvergasungsverfahren zur autothermen Erzeugung von energetisch nutzbaren Gasen aus Biomasse, insbesondere Holz, Holzspäne, Rinde, Klärschlamm, Hackschnitzel, Pellets, imprägniertem oder behandeltem Holz, Kompostabfällen, vergasbaren Industrieabfällen, holz- oder celluloseähnlichen chemischen Verbindungen, Halmgut oder ähnlichem, wobei die Biomasse in einem Festbettreaktor bei Temperaturen zwischen 150–900°C vergast wird und das erhaltene Gas anschließend einer angeschlossenen Gasreinigungseinrichtung zur ausreichenden Reinigung des Gases zu dessen Nutzung in Gaskolbenmotoren, Gasturbinen und anderen gasbetriebenen Einrichtungen zugeführt wird, wobei das Gas über eine im oberen Anteil des Festbettreaktors angeordnete Gasleitung der Gasreinigungseinrichtung zugeführt wird und anschließend in der Gasreinigungseinrichtung mit mindestens drei verschiedenen Reinigungselementen behandelt wird, wobei diese ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Zyklonabscheider, Kondensator, Katalysator, Destillationseinrichtung, Elektrolyseur, Elektrodialyse-Separator, Absorptionswäscher und Tropfenabscheider umfasst, und die ausdem energetisch nutzbaren Gas abgetrennten Verunreinigungen, insbesondere höhermolekulare Anteile der gesamten abgetrennten Verunreinigungen wie Holzteer, langkettige Kohlenwasserstoffe und andere, einen Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum mit Kammern, welche sowohl durch aus dem Festbettreaktor abgeführte Wärme als auch zusätzlich durch andere Energiequellen beheizbar sind, zugeführt werden, in welchen diese thermisch verschwelt und/oder verdampft werden und die verschwelten und/oder verdampften aus dem energetisch nutzbaren Gas abgetrennten Verunreinigungen über eine thermisch isolierte Gasleitung dem Festbettreaktor zur weiteren energetischen Nutzung zugeführt werden.
Dieses Verfahren ermöglicht insbesondere durch die gründliche, mehrstufige Reinigung des Rohgases, dass das gereinigte Produktgas zur dauerhaften und wartungsarmen energetischen Nutzung in Gasturbinen und Gas-Kolbenmotoren verwendet werden kann.
Der Reaktor weist bevorzugt ein großes Durchmesser-zu-Höhe-Verhältnis auf. Dadurch kann ein möglichst langsamer Gasdurchgang durch die einzelnen Reaktionen ermöglicht werden. Durch die damit verbundene lange Verweilzeit des Gases kann eine bessere Vergasung erreicht werden und der Gehalt an Teer und anderer Verunreinigungen im (rohen) Produktgas reduziert werden.
Im Bereich der Basis des Reaktors ist bevorzugt ein von außen zugängliches Aschebehältnis vorgesehen. In diesem sammelt sich Asche, welche durch den Zugang aus dem Reaktor ausgebracht werden kann. Oberhalb des Aschekastens ist ein Rost, bevorzugt ein Drehrost vorgesehen, welcher die Biomasseschüttung trägt.
Der Reaktor ist bevorzugt gegenüber der Umgebungsluft gasdicht abgeschlossen. Dadurch ist in Kombination mit einer Steuerung der zugeführten Gase eine genaue Steuerung der im Inneren des Reaktors vorliegenden Gaszusammensetzung möglich.
Die Zusammensetzung des gereinigten Produktgases wird bevorzugt ebenfalls überwacht. Bevorzugt wird mindestens der Sauerstoffgehalt mittels einer λ-Sonde (Lambdasonde) überwacht. Dies ist aus Sicherheitsgründen insbesondere bei der Lagerung und insbesondere bei einer optionalen Kompression der Gase notwendig. Sollte der Sauerstoffgrenzwert überschritten werden, kann die Gaszufuhr mittels einer Absperreinrichtung unterbrochen werden. Die Kompression der Gase kann nach den üblichen Verfahren und konform der gültigen Sicherheitsrichtlinien erfolgen. Die Speicherung des Gases ist z. B. in Doppelmantelboilern möglich. Das Produktgas kann zur weiteren Reinigung zusätzlich durch einen Elektrofilter geleitet werden, wie er aus Stand der Technik bekannt ist. Die Außenwand des Behälters ist elektrisch leitend mit der Außenwand des Elektrofilters verbunden, um die reinigende Wirkung des Elektrofilters nochmals zu verstärken. Bei der Abkühlung des durch die Kompression erhitzten Gases ist erneut das Auskondensieren von Wasser möglich, welches sich am Boden des Vorratsbehälters sammelt und von dort durch eine geeignete Ableiteinrichtung abgeleitet werden kann.
Aus der Lagerung unter erhöhtem Druck kann sich ein weiterer Vorteil ergeben, da sich entnommenes Gas durch dessen Expansion abkühlt und somit beim Gas-Kolbenmotor kompressions-aufgeladen werden kann, was dadurch nun höhere Kraftwirkung durch den Motor erbringt.
In Deutschland ist das Betreiben von Anlagen zur Verdichtung von Gas auch dann nicht ohne Aufsichtsperson gestattet, wenn die Prozesse vollautomatisch ablaufen. Um die Holzvergasungsanlage dennoch im Dauerbetrieb nutzen zu können, können Vorratsbehältnisse für Gas vorgesehen sein, welche unkomprimiertes Gas lagern können. Wie z. B. aus Biogasanlagen in der Landwirtschaft bekannt ist, kann das produzierte Gas in aufblasbaren Kunststoffhüllen gesammelt werden und dieses nachträglich unter Personalaufsicht verdichtet und in die Vorratsbehälter eingebracht werden.
In einer Ausführungsform der thermochemischen Holzvergasungsanlage wird durch den Kompressor zur Verdichtung des Produktgases die Leistung und somit auch die Gasqualität der gesamten Anlage bestimmt. Die Gasansaugung am Kompressor ist in dieser Ausführungsform daher genau überprüf- und regelbar. Die Zuführung der eingesetzten Gase kann durch einfache Ventilsteuerung erfolgen. Durch den mittels des Kompressors erzeugten geringen Unterdruck im System stromaufwärts des Kompressors ist das aktive Einbringen der Gase unter zusätzlichem Energieaufwand nicht notwendig.
Besonders eignet sich eine wie oben beschrieben Holzvergasungsanlage in holzverarbeitenden Betrieben unter thermischer Verwertung von Holzabfällen. Das gereinigte Holzgas eignet sich außer zur Stromerzeugung auch für alle anderen Anwendungen, in denen Gas als Energieträger eingesetzt wird. Insbesondere ist auch der Einsatz in Fahrzeugen im Straßenverkehr an Stelle von Erdgas und Flüssiggas möglich. Zurzeit ist selbsterzeugter Treibstoff in Deutschland billiger und steuerfrei, wodurch sich die Verwendung insbesondere für Land- und Forstwirtschaftsbetriebe anbietet. Das Gas kann als absolut umweltfreundlich, hergestellt aus evtl. heimischen, biologischen Rohstoffen bezeichnet werden.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Figuren.
Darin zeigen:
1 eine thermochemische Biomassevergasungsanlage nach dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung eines Teils einer Ausführungsform einer thermochemischen Holzvergasungsanlage;
3 eine schematische Darstellung des in 2 im oberen Bereich des Reaktors dargestellten Wärmetauschers in einer Aufsicht;
4 eine schematische Darstellung eines Absorptionswäschers zur Abtrennung von Verunreinigungen aus dem Produktgas durch Absorption.
1 zeigt eine thermochemische Biomassevergasungsanlage nach dem Stand der Technik. Diese funktioniert nach dem Gegenstromprinzip. Dabei bewegen sich Brennstoff (1) und Gas (2) im Reaktor (3) in entgegengesetzter Richtung (P1, P2). Im gezeigten Beispiel wird Brennstoff (1) von oben in den Reaktor (3) eingeführt und fällt durch die Einlassöffnung (4) auf den Reaktorboden (5), einen Rost (6) oder bereits im Reaktor (3) befindlichen Brennstoff (1). Es bildet sich so eine Schüttung aus Brennstoff (1).
Von unten wird dem Reaktor Gas (2) wie z. B. Luft zugeführt. Dieses Gas (2) enthält Sauerstoff, der im Reaktor (3) mit dem Brennstoff (1) reagiert. Durch den hohen Sauerstoffanteil im unteren Bereich des Reaktors (3) bildet sich dort eine Oxidationszone (7), in welcher eine Verbrennung des Brennstoffes (1) unter Bildung von CO₂ und H₂O erfolgt. Dabei wird der Sauerstoffanteil im Gasstrom (2) reduziert. Durch nachströmende Luft wird der bereits im Reaktor (3) befindliche Gasanteil weiter nach oben gedrückt und passiert eine Reduktionszone (8), in welcher CO, CH₄ und H₂ gebildet werden. In diesem Bereich ist der Sauerstoffanteil zu gering zur vollständigen Verbrennung dieser energiereichen Gase zu CO₂ und H₂O. In diesem Bereich stehen nach dem Boudouard-Gleichgewicht Kohlenstoff (C) und Kohlendioxid (CO₂) mit Kohelmonoxid (CO) im Gleichgewicht. Durch den großen Überschuss an Kohlenstoff in dieser Zone kann das Gleichgewicht der Reaktion in Richtung des entstehenden Kohlenmonoxids verschoben werden, obwohl diese Reaktion endotherm ist. Die notwendige Energie wird durch die in der Oxidationszone (7) bereitgestellte Verbrennungsenergie geliefert.
Oberhalb der Reduktionszone (8) schließen sich im Reaktor (3) von unten nach oben die Verkohlungszone (9), die Schwelzone (10) und die Trocknungszone (11) an. Diese Zonen unterscheiden sich im Wesentlichen durch die dort vorliegende Temperatur und daher auch durch die darin ablaufenden Prozesse. In der Trocknungszone (11), die frisch eingebrachter Brennstoff (1) zuerst durchläuft, findet zunächst eine Trocknung der Biomasse (1) statt. Bei Temperaturen um etwa 200°C werden vor allem Wasser, aber auch Anteile anderer flüchtiger organischer Substanzen wie z. B. Essigsäure, Ameisensäure, Öle, Terpene, organische Lösungsmittel und andere aus der Biomasse (1) ausgetrieben.
In der sich in Bewegungsrichtung (P1) des Brennstoffes (1) daran anschließenden Schwelzone (10) finden die ersten chemischen Reaktionen im Brennstoff (1) statt. Dabei handelt es sich um pyrolytische Zersetzungen, welche in der Regel endotherm ablaufen. Weiter stromabwärts bezüglich der Transportrichtung (P1) des Brennstoffes (1) passiert dieser die Verkohlungszone (9), in der der Brennstoff (1) ähnlich dem Prozess der Holzkohleherstellung unter Abspaltung niedermolekularer Verbindungen verkohlt wird. Durch die Verkohlung der Biomasse (1) in dieser Zone kann gewährleistet werden, dass ausreichend Kohlenstoff (Holzkohle, Koks) für die Verschiebung des erwähnten Boudouard-Gleichgewichtes hin zu den erwünschten Produktgasen Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) gewährleistet ist.
Das der Bewegungsrichtung (P1) des Brennstoffes (1) entgegenströmende Gas (2) kann im oberen Bereich des Reaktors (3) aus diesem entnommen werden. Zur Entnahme der vergasten Biomasse (1) ist üblicherweise im unteren Bereich des Reaktors (3) ein Rost (6) angeordnet, durch welchen Asche (12) in eine Schublade (13) fallen kann, mittels welcher diese dem Reaktor (3) entnommen werden kann. Da das Gas (2) nach der Bildung der erwünschten Produktgase CO, CH₄ und H₂ noch die Verkohlungs- (9), Schwel- (10), und Trocknungszone (11) passiert, wird es mit in diesen Zonen aus der Biomasse (1) entweichenden Substanzen verunreinigt. Dabei handelt es sich vor allem um Asche (12), Teere, Wasser und andere niedermolekulare Verbindungen. Die Verwendung des so produzierten Gases (14) ist beispielsweise nicht zur Stromerzeugung mittels einer Gasturbine oder eines Gas-Kolbenmotors geeignet, da die Verunreinigungen die Gasturbine stark verschmutzen würden. Insbesondere die hochmolekularen Teere würden sich im Dauerbetrieb auf den empfindlichen Bauteilen der Gasturbine abscheiden.
2 zeigt einen Teil einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen thermochemischen Holzvergasungsanlage (15). Bei dem in der Figur im linken Bereich gezeigten Reaktor (3) handelt es sich wie bei dem in 1 gezeigten Reaktor (3) um einen Reaktor (3), in welchem Biomasse (1) im Gegenstromverfahren (P1, P2) vergast wird. Im oberen Bereich ist eine Einfüllöffnung (4) für Biomasse (1) gezeigt. Das Verbrennungs-, bzw. Vergasungsgas (2) wird durch die Zuführleitung (16) von unten in den Reaktor (3) eingebracht. Die einzelnen Zonen (7, 8, 9, 10, 11), welche von der Biomasse (1) und dem Gas (2) im Gegenstrom (P1, P2) durchlaufen werden, entsprechen weitgehend denen des in 1 gezeigten Reaktors (3).
Im oberen Bereich des Reaktors (3) befindet sich jedoch ein Gassammelraum (17), welcher von einem in die Seitenwandung (18) des Reaktors (3) integrierten Wärmetauscher (19) umgeben ist. Mittels dieses Wärmetauschers (19) ist es möglich, das entnommene Gas (14) bereits abzukühlen und gleichzeitig Wärmeenergie aus dem Reaktor abzuführen. Diese Wärme kann für weitere Prozesse genutzt werden. Insbesondere bieten sich Prozesse an, die mit der Reinigung des Produktgases (14) verbunden sind. Das Produktgas (14) verlässt den Reaktor durch eine Produktgasaustriebsöffnung (20), welche sich im oberen Bereich des Reaktors (3) befindet. Bevorzugt ist diese in einem Deckel (21) des Reaktors (3) angeordnet, welcher wiederum bevorzugt abnehmbar ist, um den Reaktorinnenraum bei einem Stillstand zugänglich zu machen.
Das aus dem Reaktor (3) entnommene Produktgas (14) wird einer Reihe von (nicht gezeigten) Gasreinigungseinrichtungen zugeführt, welche insbesondere dazu dienen, Substanzen abzuscheiden, die eine Gasturbine verschmutzen könnten. Die aus dem Gas abgeschiedenen Anteile, insbesondere die schwerflüchtigen Anteile, werden einer Nachbehandlungseinrichtung (22) zugeführt, in welcher sie chemisch umgewandelt werden. Die chemische Umwandlung, insbesondere von hochmolekularen Verunreinigungen, kann, wie im gezeigten Beispiel gezeigt, in Form einer Verschwelung ablaufen. Abgetrennte niedermolekulare Verunreinigungen können ohne chemische Umwandlung verdampft werden und so über die Verbindungsleitung (23) dem Reaktor in gasförmigem Zustand zugeführt werden.
Sowohl für die Verschwelung der hochmolekularen Verunreinigungen, als auch für die Verdampfung der niedermolekularen Verunreinigungen, kann die über dem oberen Bereich des Reaktors (3) befindliche abgeführte Energie genutzt werden. Dazu ist die Nachbehandlungseinrichtung (22) über Leitungen (24, 25), in welchen ein Wärmeaustauschmedium geführt werden kann, mit dem Wärmetauscher (19) verbunden. Die so der Nachbehandlungseinrichtung (22) zugeführte Energie kann zur Aufheizung der beiden darin befindlichen Kammern (26, 27) genutzt werden, in welchen die Verschwelung oder die Verdampfung der abgetrennten Verunreinigung erfolgt.
Die jeweiligen Verunreinigungen werden diesen Kammern (26, 27) über (nicht gezeigte) Öffnungen zugeführt. Um die Verschwelung bzw. die Verdampfung möglichst vollständig durchführen zu können, ist in der Verschwelungskammer (26) und in der Verdampfungskammer (27) eine Zusatzheizung (28, 29) vorgesehen, welche die notwendige Energie bereitstellt. Die verschwelten oder verdampften Substanzen verlassen die jeweilige Kammer (26, 27) gasförmig über die Abführleitung (23) und werden gasförmig dem Reaktor (3) zugeführt. Durch dieses Einleiten der thermisch nachbehandelten aus dem rohen Produktgas abgeschiedenen Substanzen durchlaufen diese den Reaktor (3) mindestens zum zweiten Mal. Es handelt sich daher um eine doppelt aufsteigende Gegenstromvergasung.
Bei den Heizeinrichtungen (28, 29) in der Verschwelungskammer (26) und in der Verdampfungskammer (27) kann es sich z. B. um Gasheizungen handeln, welche z. B. durch Produktgas betrieben werden oder auch um elektrische Heizungen.
3 zeigt den Wärmetauscher (19), der sich im oberen Bereich des Reaktors (3) befindet, in einer Aufsicht. Der Wärmetauscher (19) umgibt einen Gassammelraum (17), welcher durch das Produktgas (14) ausgefüllt ist. Eine radial innenliegende Wandung (30) des Wärmetauschers (19) steht mit dem Produktgas (14) in Kontakt. Der Wärmetauscher (19) selbst bildet einen Hohlkörper, durch welchen ein Wärmeaustauschmedium (31) geführt werden kann. Dieses wird dem Wärmetauscher (19) über nicht gezeigte Zuleitungen zugeführt und über ebenfalls nicht gezeigte Ableitungen abgeführt. Zur Einstellung einer definierten Strömung im Inneren des Wärmetauschers (19) ist es möglich, mehrere Zu- und Ableitungen vorzusehen. Ebenfalls ist es möglich, Einrichtungen zur Vorgabe einer definierten Strömung im inneren des Wärmeaustauschers vorzusehen. Dies können z. B. Umlenkbleche, Rohrleitungen oder andere sein.
Radial außerhalb des Wärmetauschers schließt sich eine Isolierschicht (32) an, welche einen Wärmeaustritt nach außen minimiert. An diese Isolierschicht schließt sich die Reaktoraußenwand (33) an. Die radial innenliegende Begrenzung (30) des Wärmetauschers (19) weist bevorzugt denselben Durchmesser auf wie die Innenwandung (18) des Reaktors (3). Dadurch wird ermöglicht, dass die gesamte innere Oberfläche des Reaktors (3) eine Oberfläche in Form eines Zylindermantels bildet und demnach keine Vorsprünge oder Einbuchtungen vorliegen. Dadurch kann verhindert werden, dass sich Biomasse wie z. B. Holz in den Vorsprüngen oder Einbuchtungen verkantet und nicht, wie vorgesehen, entlang des Transportpfades weitertransportiert werden kann.
4 zeigt einen Absorptionswäscher (34) zur Abtrennung von Verunreinigungen aus dem Produktgas (14) durch Absorption. Bei diesem Absorptionswäscher (34) bewegen sich das Rohgas (14) und ein Absorbens (35) im Gegenstrom (P4, P5). Im gezeigten Beispiel wird das Rohgas (14) durch die Rohgaseintrittsöffnung (36) im unteren Bereich des Absorptionswäschers (34) diesem zugeführt. In Richtung der Gasaustrittsöffnung (37) durchströmt das Gas (14) einen Auflagerost (38), auf welchem eine Schüttung eines Füllkörpers (39) angeordnet ist. Oberhalb des Füllkörpers (39) wird einer Sprüheinrichtung (40) über eine Absorbens-Eintrittsöffnung (41) ein Absorbens (42) zugeführt. Mittels der Sprüheinrichtung (40) wird dieses fein vernebelt und gelangt aufgrund der Gravitationskräfte in der der Strömungsrichtung des Gases entgegengesetzten Richtung (P4) zunächst in einen nicht mit Füllkörpern (39) versehenen Bereich, wo es mit dem Gas (14) vermischt wird. Auch im Inneren des Füllkörpers (39) kommt es zu einer Vermischung von Absorbens (42) und Rohgas (14), wodurch dieses gereinigt wird. Absorbat (44) verlässt den Füllkörper (39) unterseitig und transportiert auch absorbierte Verunreinigungen, wie insbesondere Teere mit sich. Über eine Absorbataustrittsöffnung (43) wird im unteren Bereich das Absorbat (44) aus dem Absorptionswäscher (34) ausgeführt. Um den Teer aus dem Absorbat (44) abzuscheiden, wird das Absorbat (44) nachbehandelt. Das gereinigte Gas (14) passiert einen Tropfenabscheider (45), in welchem im Gas (14) befindliche Absorbenströpfchen aus diesem entfernt werden. Anschließend kann das von Verunreinigungen befreite Gas (14) weiterverarbeitet werden.

Claims

Thermochemische Holzvergasungsanlage (15) zur autothermen Erzeugung von energetisch nutzbaren Gasen (14) aus Biomasse (1), insbesondere Holz, Holzspäne, Rinde, Klärschlamm, Hackschnitzel, Pellets, imprägniertem oder behandeltem Holz, Kompostabfällen, vergasbaren Industrieabfällen, holz- oder celluloseähnlichen chemischen Verbindungen, Halmgut oder ähnlichem, in einem Festbettreaktor (3) bei Temperaturen zwischen 150–900°C, mit angeschlossener Gasreinigungseinrichtung, zur ausreichenden Reinigung von Gas (14) zu dessen Nutzung in Gaskolbenmotoren, Gasturbinen und anderen gasbetriebenen Einrichtungen, wobei die Gasreinigungseinrichtung über eine im oberen Anteil des Festbettreaktors (3) angeordnete Gasleitung mit diesem verbunden ist und mindestens drei verschiedene Reinigungselemente umfasst, welche ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Zyklonabscheider, Kondensator, Katalysator, Destillationseinrichtung, Elektrolyseur, Elektrodialyse-Separator, Absorptionswäscher (34) und Tropfenabscheider (45) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochemische Holzvergasungsanlage (15) einen Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum (22) umfasst, in welchem aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) abgetrennte Verunreinigungen, insbesondere höhermolekulare Anteile der gesamten abgetrennten Verunreinigungen wie Holzteer, langkettige Kohlenwasserstoffe und andere, thermisch aufarbeitbar sind, wobei der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum (22) Kammern (26, 27) aufweist, welche sowohl durch aus dem Festbettreaktor (3) abgeführte Wärme als auch zusätzlich durch andere Energiequellen beheizbar sind, um die aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) abgetrennten Verunreinigungen zu verschwelen und/oder zu verdampfen, und wobei der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum (22) über eine thermisch isolierte Gasleitung (23) mit dem Festbettreaktor (3) verbunden ist, über welche die verschwelten und/oder verdampften aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) abgetrennten Verunreinigungen dem Reaktorinneren zur weiteren energetischen Nutzung zuführbar sind.
Thermochemische Holzvergasungsanlage (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Festbettreaktor (3) in einem oberen Bereich, bevorzugt im Bereich eines oberen Wandungsabschnittes, besonders bevorzugt in einen oberen Wandungsabschnitt integriert, einen gegenüber einem Vergasungsraum des Festbettreaktors (3) gasdicht abgeschlossenen Raum (19) aufweist, durch welchen ein Wärmetransportmedium (31) führbar ist, mittels welchem Energie aus dem Festbettreaktor (3) dem Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum (22) zuführbar ist.
Thermochemische Holzvergasungsanlage (15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzvergasungsanlage (15) mindestens einen Kondensator und einen Elektrolyseur zur elektrolytischen Spaltung von aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) auskondensierten niedermolekularen Verbindungen aufweist, sowie zusätzlich bevorzugt einen Elektrodialyse-Separator, mittels welchem ein aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) abgetrenntes Kondensat vor dessen Zuführung zum Elektrolyseur in elektrisch leitende und nicht-elektrisch leitende Bestandteile trennbar ist.
Thermochemische Holzvergasungsanlage (15) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur dazu geeignet ist, niedermolekulare Verbindungen, insbesondere die mittels dem Elektrodialyse-Separator separierbaren elektrisch leitenden Bestandteile des Kondensats in gasförmige Bestandteile zu zerlegen und Gasführungseinrichtungen aufweist, um diese gasförmigen Bestandteile in Abhängigkeit von deren Zusammensetzung dem energetisch nutzbaren Gas (14) oder dem dem Festbettreaktor (3) zuführbaren Gas (2) zuzuleiten.
Thermochemische Holzvergasungsanlage (15) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzvergasungsanlage (15) einen Wärmetauscher aufweist, mittels welchem dem Festbettreaktor zuführbares Gas (2) unter Ausnutzung von bei der Vergasung entstehender Energie aufwärmbar ist.
Thermochemische Holzvergasungsanlage (15) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher dazu geeignet ist, das dem Festbettreaktor (3) zuführbare Gas (2) unter Nutzung der Wärme des aus dem Festbettreaktor ausströmenden energetisch nutzbaren Gases (14) aufzuheizen, wobei das energetisch nutzbare Gas (14) unter den Kondensationspunkt von Wasser abkühlbar ist.
Thermochemische Holzvergasungsanlage (15) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum (22) mindestens ein elektrisch beheizbares Element (28, 29) aufweist, welches bevorzugt in direktem Kontakt zu den aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) abgetrennten Verunreinigungen bringbar ist, um diese zu verschwelen und/oder zu verdampfen
Thermochemische Holzvergasungsanlage (15) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzvergasungsanlage (15) eine Destillationseinrichtung aufweist, mittels welcher ein aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) abgetrenntes Kondensat in hochsiedende und niedrigsiedende Verbindungen, insbesondere in höhermolekulare und niedermolekulare Verbindungen trennbar ist, wobei diese Destillationseinrichtung bevorzugt eine fraktionierte Destillation ermöglicht.
Thermochemische Holzvergasungsanlage (15) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochemische Holzvergasungsanlage (15) eine Einrichtung zur Überwachung und Steuerung des Vergasungsprozesses und/oder zur Steuerung der Frischgaszufuhr aufweist, welche eine Vergasung im Dauerbetrieb ermöglicht.
Thermochemische Holzvergasungsanlage (15) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochemische Holzvergasungsanlage (15) eine Einrichtung zum Komprimieren der energetisch nutzbaren Gase (14) aufweist und bevorzugt ein Reservoir, besonders bevorzugt aufblasbare Kunststoffhüllen, für nicht komprimierte Gase (14) aufweist, mittels welchem energetisch nutzbare Gase (14) vor deren Komprimierung lagerbar sind.
Thermochemisches Holzvergasungsverfahren zur autothermen Erzeugung von energetisch nutzbaren Gasen (14) aus Biomasse (1), insbesondere Holz, Holzspäne, Rinde, Klärschlamm, Hackschnitzel, Pellets, imprägniertem oder behandeltem Holz, Kompostabfällen, vergasbaren Industrieabfällen, holz- oder cellulaseähnlichen chemischen Verbindungen, Halmgut oder ähnlichem, wobei die Biomasse (1) in einem Festbettreaktor (3) bei Temperaturen zwischen 150–900°C vergast wird und das erhaltene Gas (14) anschließend einer angeschlossenen Gasreinigungseinrichtung zur ausreichenden Reinigung des Gases (14) zu dessen Nutzung in Gaskolbenmotoren, Gasturbinen und anderen gasbetriebenen Einrichtungen zugeführt wird,wobei das erhaltene Gas (14) über eine im oberen Anteil des Festbettreaktors (3) angeordnete Gasleitung der Gasreinigungseinrichtung zugeführt wird und anschließend in der Gasreinigungseinrichtung mit mindestens drei verschiedenen Reinigungselementen behandelt wird, wobei diese ausgewählt sind aus einer Gruppe die Zyklonabscheider, Kondensator, Katalysator, Destillationseinrichtung, Elektrolyseur, Elektrodialyse-Separator, Absorptionswäscher (34) und Tropfenabscheider (45) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) abgetrennten Verunreinigungen, insbesondere höhermolekulare Anteile der gesamten abgetrennten Verunreinigungen wie Holzteer, langkettige Kohlenwasserstoffe und andere, einen Verschwelungs- und/oder Verdampfungsraum (22) mit Kammern (26, 27), welche sowohl durch aus dem Festbettreaktor (3) abgeführte Wärme als auch zusätzlich durch andere Energiequellen beheizbar sind, zugeführt werden, in welchen diese thermisch verschwelt und/oder verdampft werden und die verschwelten und/oder verdampften aus dem energetisch nutzbaren Gas (14) abgetrennten Verunreinigungen über eine thermisch isolierte Gasleitung (23) dem Festbettreaktor (3) zur weiteren energetischen Nutzung zugeführt werden.